專利名稱：光學(xué)掃描設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)掃描設(shè)備。
背景技術(shù)：
在數(shù)字復(fù)印機(jī)、激光打印機(jī)、條碼讀取器、掃描儀或投影儀中廣泛地使用通過導(dǎo)致鏡面振蕩來掃描光線的光學(xué)掃描設(shè)備。隨著微制造(microfabrication)技術(shù)的最新發(fā)展，例示前述設(shè)備并且將微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)應(yīng)用其上的光學(xué)掃描設(shè)備已變成關(guān)注的焦點(diǎn)?；贛EMS技術(shù)、其中可以在半導(dǎo)體過程中一體地形成鏡面機(jī)制的光學(xué)掃描設(shè)備因此是有利的，因?yàn)榭梢詫⒃撛O(shè)備小型化。然而，當(dāng)鏡面尺寸(芯片尺寸)增加時(shí)，出現(xiàn)成本問題。具體地，一個(gè)晶片是昂貴的，并且鑒于產(chǎn)出或從其實(shí)際產(chǎn)生的芯片的數(shù)量，難以以低成本制造Icm或更大的MEMS芯片。因此，光學(xué)掃描設(shè)備不太適于在需要足夠大的鏡面尺寸的高分辨率投影儀中使用。另一方面，基于MEMS技術(shù)的光學(xué)掃描設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)。在這樣的光學(xué)掃描設(shè)備中，具有通過由彈性元件制造的梁支撐的兩個(gè)端部的鏡面通過諸如靜電力或電磁力之類的驅(qū)動(dòng)力沿該梁繞振蕩軸振蕩，并且因此執(zhí)行光學(xué)掃描。因此，與其中由馬達(dá)旋轉(zhuǎn)多面鏡或電流鏡的類型的光學(xué)掃描設(shè)備不同，諸如馬達(dá)之類的機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)制不是必需的。結(jié)果，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單并且裝配性能更高，因此有助于降低成本。與前述光學(xué)掃描設(shè)備相比，鏡面的振蕩角度可以被設(shè)置為相對(duì)較大。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)能夠在大屏幕上顯示圖像的投影儀而言是重要的。因此，希望可以通過將基于MEMS技術(shù)的光學(xué)掃描設(shè)備的前述優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于具有大尺寸鏡面的光學(xué)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)以大屏幕顯示和高分辨率為特征的圖像顯示設(shè)備(如投影儀)。在許多情況下，在基于MEMS技術(shù)的光學(xué)掃描設(shè)備中，為了增加鏡面的振蕩角度，使用由結(jié)構(gòu)的諧振頻率驅(qū)動(dòng)的諧振鏡面。該鏡面的諧振頻率fr由fr = (2 31) (k/Im)1/2 (I)給出，其中k是用于支撐該鏡面的扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)，并且Im是鏡面的慣性力矩。當(dāng)由T表示向鏡面施加的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，鏡面的振蕩角度Θ由Θ = QT/k (2)給出，其中Q是系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，并且在空氣和真空中的典型值分別是大約100和1000。在許多情況下，在諧振鏡面中，需要將大約數(shù)個(gè)IOkHz作為諧振頻率fr的高速振動(dòng)。因此，使用具有大的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)k的扭轉(zhuǎn)梁即硬扭轉(zhuǎn)梁作為扭轉(zhuǎn)梁(見等式(I))。在該情況下，扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)k抵消鏡面的品質(zhì)因數(shù)Q。結(jié)果，由等式(2)給出的鏡面的振蕩角度Θ取決于驅(qū)動(dòng)力T。因此，需要大的驅(qū)動(dòng)力來增加鏡面的振蕩角度Θ。另一方面，在某種類型的光學(xué)掃描設(shè)備中，鏡面被配置為被非諧振地驅(qū)動(dòng)(即，被DC驅(qū)動(dòng))。在該非諧振鏡面的情況下，鏡面的振蕩角度Θ由Θ = T/k (3)給出，其中T和k分別是施加到鏡面的驅(qū)動(dòng)力和扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)。根據(jù)等式(3)，可以通過增加驅(qū)動(dòng)力T或減小扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)k在一定程度上增加振蕩角度Θ。然而，當(dāng)減小扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)k時(shí)，根據(jù)等式(1)，諧振頻率fr減小。在這種情況下，由于諧振頻率接近非諧振模式中的驅(qū)動(dòng)頻率(通常為60Hz)，所以諧振波形被疊加到該鏡面的驅(qū)動(dòng)波形上。為了防止這種情況，必須將諧振頻率fr設(shè)置到大約IkHz或更高。因此，不能大幅減小扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)k。因此，在非諧振鏡面中，如同在諧振鏡面的情況下一樣，為了增加鏡面的振蕩角度Θ，必須大幅增加驅(qū)動(dòng)力。如上所述，不管是諧振型還是非諧振型，為了在光學(xué)掃描設(shè)備中實(shí)現(xiàn)鏡面的大的振蕩角度，重要的是確保大的驅(qū)動(dòng)力。就這點(diǎn)而言，借助于永磁體和線圈來生成驅(qū)動(dòng)力的磁力型驅(qū)動(dòng)設(shè)備的使用是有利的。該磁力型驅(qū)動(dòng)設(shè)備根據(jù)永磁體和線圈的布置主要被分成以下兩種類型。(I)可移動(dòng)線圈(MC)型例如，專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中的每一個(gè)公開了一種MC型驅(qū)動(dòng)線圈，其中將線圈安裝到可移動(dòng)部分上。圍繞該可移動(dòng)部分布置多個(gè)永磁體，并且當(dāng)向線圈施加電流時(shí)由施加到線圈上的Lorentz力驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)部分。(2)可移動(dòng)磁體(MM)型在麗型驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，頻繁地使用這樣一種配置，在該配置中，至少一個(gè)永磁體被安裝到盤狀可移動(dòng)部分的盤表面上。線圈被布置在可移動(dòng)部分附近，并且當(dāng)向線圈施加電流時(shí)由永磁體與線圈的磁相互作用驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)部分。在這種驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，已經(jīng)提供了對(duì)于有效地生成驅(qū)動(dòng)力的各種想法。例如，專利文獻(xiàn)3公開了一種包括被布置在這樣一個(gè)位置處的線圈的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，該位置面向可移動(dòng)盤(可移動(dòng)部分)的表面，其中永磁體被安裝在該可移動(dòng)盤上以根據(jù)該可移動(dòng)盤的振蕩角度傾斜。因此，即使當(dāng)偏轉(zhuǎn)該可移動(dòng)盤時(shí)，足夠大的磁場(chǎng)也被施加到該永磁體。專利文獻(xiàn)4公開了一種光學(xué)掃描儀，該光學(xué)掃描儀包括永磁體和覆蓋線圈的固定軛，該永磁體被布置在鏡面盤(可移動(dòng)部分)的后表面上使得磁化方向可以是水平的。該永磁體被保持在該固定軛的端部之間。因此，可以相對(duì)地增加經(jīng)過該固定軛向該永磁體施加的磁場(chǎng)。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I JP 2007-14130A專利文獻(xiàn)2:JP 2008-122955A專利文獻(xiàn)3:JP 2005-169553A專利文獻(xiàn)4:JP 2007-94109A

發(fā)明內(nèi)容
要解決的問題
如上所述，在圖像顯示設(shè)備(如投影儀)中，需要使用具有大的鏡面尺寸的光學(xué)掃描設(shè)備。因此，光學(xué)掃描設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)備必須生成比以前更大的驅(qū)動(dòng)力。為了增加在如上所述的MC型驅(qū)動(dòng)設(shè)備中所生成的驅(qū)動(dòng)力，可以增加向線圈施加的電流，或者可以增加線圈匝數(shù)。然而，在前一種情況下，在線圈處生成熱量，從而導(dǎo)致攜帶線圈的光學(xué)掃描設(shè)備的光學(xué)性能的惡化。在后一種情況下，線圈匝數(shù)與線圈的線直徑具有折中關(guān)系，并且因此難以獲得大的驅(qū)動(dòng)力。具體地，必須減小線圈的線直徑以增加線圈匝數(shù)，并且在這種情況下，為了防止熱量的生成或連接斷開，必須不可避免地降低將要供應(yīng)的電流的上限。在線圈的線直徑更大的情況下，略微地放松將要供應(yīng)的電流的上限，而減少自身匝數(shù)。因此，MC型驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有不能生成期望的驅(qū)動(dòng)力的問題。另一方面，在專利文獻(xiàn)3和專利文獻(xiàn)4的每一個(gè)中所述的MM型驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，由于對(duì)線圈將要被安裝的位置存在較少的限制，所以可以將要供應(yīng)的電流的上限設(shè)置得高。此夕卜，與MC型驅(qū)動(dòng)設(shè)備相比，可以使得在線圈處生成的磁場(chǎng)更大。然而，在專利文獻(xiàn)3中所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，其上纏繞線圈的線軸的尖端之間的間隔很長(zhǎng)。這導(dǎo)致施加到永磁體的磁場(chǎng)的較大的空間變化，并且該磁場(chǎng)的量級(jí)(magnitude)自身不是足夠大以驅(qū)動(dòng)具有大尺寸鏡面的光學(xué)掃描設(shè)備。此外，在專利文獻(xiàn)4中所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，位于鏡面之下以支撐永磁體的支撐柱是非磁性的。因此，該柱子對(duì)驅(qū)動(dòng)力沒有貢獻(xiàn)并且難以生成足夠的驅(qū)動(dòng)力。類似地，在如上所述的MM型驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，可以通過增加向線圈供應(yīng)的電流來生成足夠的驅(qū)動(dòng)力。但是，這是不希望的，因?yàn)楣β氏脑黾?。因此，本發(fā)明的目的在于在具有大尺寸鏡面的光學(xué)掃描設(shè)備中提供一種能夠生成足夠的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功率消耗的結(jié)構(gòu)。問題的解決方案為了實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的一種光學(xué)掃描設(shè)備包括:主可移動(dòng)部分；一對(duì)可扭轉(zhuǎn)變形的主扭轉(zhuǎn)梁，彼此相對(duì)布置在該主可移動(dòng)部分的兩個(gè)端部并且可擺動(dòng)地支撐該主可移動(dòng)部分；以及驅(qū)動(dòng)該主可移動(dòng)部分振蕩的主驅(qū)動(dòng)單元。該主可移動(dòng)部分包括具有用于反射光線的反射表面的鏡面單元以及彼此相對(duì)布置以將該鏡面單元夾在中間的一對(duì)永磁體，每個(gè)永磁體沿該主可移動(dòng)部分的振蕩軸延伸。該主驅(qū)動(dòng)單元包括:沿該主可移動(dòng)部分的該振蕩軸X-X布置以圍繞該永磁體的軛單元，以及纏繞在該軛單元上并且配置為通電以磁化該軛單元因而生成將被施加到該永磁體上的磁場(chǎng)的線圈。本發(fā)明的效果因此，本發(fā)明可以在具有大尺寸鏡面的光學(xué)掃描設(shè)備中提供一種能夠生成足夠的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功率消耗的結(jié)構(gòu)。


圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖；圖1B是沿圖1A中所示的線條A-A’取得的示意性截面圖；圖1C是沿圖1A中所示的線條B-B’取得的示意性截面圖；圖2是示意性地示出圖1A到圖1C中所示的光學(xué)掃描設(shè)備的可移動(dòng)鏡面的分解透視圖；圖3A是示出圖1B中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的可移動(dòng)鏡面的振蕩狀態(tài)的示意性截面圖；圖3B是示出圖1B中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的可移動(dòng)鏡面的振蕩狀態(tài)的示意性截面圖；圖4是繪制圖1A到圖1C中所示的可移動(dòng)鏡面的最大振蕩角度的絕對(duì)值關(guān)于永磁體的軸向長(zhǎng)度的視圖；圖5是示出包括本發(fā)明的光學(xué)掃描設(shè)備的圖像顯示設(shè)備的配置示例的視圖；圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖；圖6B是沿圖6A中所示的線條A-A’取得的示意性截面圖；圖6C是沿圖6A中所示的線條B-B’取得的示意性截面圖；圖7A是示出圖6A到圖6C中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的鏡面單元的示意性平面圖；圖7B是示出圖6A到圖6C中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的鏡面單元的示意性截面圖；圖7C是示出圖6A到圖6C中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的鏡面單元的示意性平面圖；圖8是繪制圖6A到圖6C中所示的可移動(dòng)鏡面的最大振蕩角度的絕對(duì)值關(guān)于法蘭寬度的視圖；圖9A是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖；圖9B是沿圖9A中所示的線條A_A’取得的示意性截面圖；圖9C是沿圖9A中所示的線條B-B’取得的示意性截面圖；圖1OA是示出圖9B中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的可移動(dòng)鏡面的振蕩狀態(tài)的示意性截面圖；圖1OB是示出圖9B中所示的光學(xué)掃描設(shè)備中的可移動(dòng)鏡面的振蕩狀態(tài)的示意性截面圖；圖11是繪制圖9A到圖9C中所示的可移動(dòng)鏡面的最大振蕩角度的絕對(duì)值關(guān)于永磁體的軸向長(zhǎng)度的視圖；圖12是繪制圖9A到圖9C中所示的可移動(dòng)鏡面的最大振蕩角度的絕對(duì)值關(guān)于永磁體的厚度的視圖；圖13A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖；圖13B是沿圖13A中所示的線條A_A’取得的示意性截面圖；圖13C是沿圖13A中所示的線條B_B’取得的示意性截面圖；圖14A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖；圖14B是沿圖14A中所示的線條A_A’取得的示意性截面圖；圖14C是沿圖14A中所示的線條B_B’取得的示意性截面圖；圖15A是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖15B是沿圖15A中所示的線條A_A’取得的示意性截面圖；以及圖15C是沿圖15A中所示的線條B_B’取得的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。[第一實(shí)施方式]首先，將描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備。該實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備是被配置為操作在諧振頻率上的諧振型光學(xué)掃描設(shè)備。圖1A到圖1C是示出了該實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意圖。圖1A是示出從光反射表面一側(cè)看的該實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備的配置的示意性平面圖，并且圖1B和圖1C是分別沿圖1A中所示的線條A-A’和線條B-B’取得的示意性截面圖。該實(shí)施方式的光學(xué)掃描設(shè)備I包括用于掃描光線的可移動(dòng)鏡面(主可移動(dòng)部分)10和在可移動(dòng)鏡面10的兩端彼此相對(duì)布置并且被連接到可移動(dòng)鏡面10的一對(duì)可扭轉(zhuǎn)變形的主扭轉(zhuǎn)梁21和22。經(jīng)由主扭轉(zhuǎn)梁21和22將可移動(dòng)鏡面10連接到支架41和42，并且因此由主扭轉(zhuǎn)梁21和22可擺動(dòng)地支撐可移動(dòng)鏡面10。光學(xué)掃描設(shè)備I進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)鏡面10振蕩的主驅(qū)動(dòng)單元30。因此，由主驅(qū)動(dòng)單元30驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)鏡面10以繞沿棒型主扭轉(zhuǎn)梁21和22延伸的方向的振蕩軸X-X振蕩。可移動(dòng)鏡面10包括鏡面單元11、彼此相對(duì)布置以將鏡面單元11夾在中間的一對(duì)永磁體12和13以及可移動(dòng)框架14，其中鏡面單元11包括用于反射光線的反射表面11a，在可移動(dòng)框架14中安裝鏡面單元11和該對(duì)永磁體12和13。鏡面單元11和永磁體12和13被安裝在可移動(dòng)框架14中，并且通過黏膠來粘接。圖2是示出根據(jù)該實(shí)施方式的可移動(dòng)鏡面10和主扭轉(zhuǎn)梁21和22的具體配置的透視圖，并且具體地顯示可移動(dòng)鏡面10，在該可移動(dòng)鏡面10中鏡面單元11以及永磁體12和13尚未被安裝到可移動(dòng)框架14中。由硬度適中并且彈性的材料制成的可移動(dòng)框架14與主扭轉(zhuǎn)梁21和22 —體地形成，并且經(jīng)由主扭轉(zhuǎn)梁21和22將可移動(dòng)框架14連接到該支架(圖2中未示出)。在該實(shí)施方式中，作為用于可移動(dòng)框架14和主扭轉(zhuǎn)梁21和22的材料，優(yōu)選地使用彈性金屬材料(例如不銹鋼或鑰)或者單晶硅。如圖1A中所示，鏡面單元11包括橢圓形反射表面Ia并且其被配置為使得它的短軸方向可以基本上與可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X同軸。換句話說，鏡面單元11被布置為基本上關(guān)于可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。因此，可以降低鏡面單元11的慣性力矩。這是有利的，因?yàn)榭梢越档椭髋まD(zhuǎn)梁21和22用于獲得預(yù)定的諧振頻率(例如4kHz)的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)(見等式(I))，因而甚至使用相同的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)較大的振蕩角度。在鏡面單元11的反射表面Ila中，形成具有足夠平坦的金屬薄膜或由對(duì)將要使用的光線具有足夠高的反射率的材料制造的電介質(zhì)多層的鏡面表面。在該實(shí)施方式中，如上所述，獨(dú)立于可移動(dòng)框架14形成包括這種鏡面表面的鏡面單元11并且將該鏡面單元11安裝到可移動(dòng)框架14的開口中。這種配置是有利的，不僅在于其由于可移動(dòng)鏡面10的易裝配和鏡面單元11自身的易處理而有助于降低成本，而且還在于可以由與可移動(dòng)框架14和主扭轉(zhuǎn)梁21和22不同的材料制造鏡面單元I。換句話說，由其密度比構(gòu)成可移動(dòng)框架14和主扭轉(zhuǎn)梁21和22的材料更低的材料制造鏡面單元11。這允許可移動(dòng)鏡面10的慣性力矩的降低。鏡面單元11的尺寸例如如下:反射表面Ila的長(zhǎng)軸(鏡面寬度)是6mm，短軸(鏡面長(zhǎng)度)是3mm并且厚度是0.3mm。在這種情況下，可移動(dòng)框架14的尺寸例如如下:用于安裝鏡面單元11的橢圓形部分的厚度是0.3mm并且框架寬度是0.7_。代替獨(dú)立于可移動(dòng)框架形成鏡面單元，可以通過直接在盤狀可移動(dòng)框架中形成鏡面表面來配置鏡面單元。永磁體12和13被配置在鏡面單元11的兩端以沿可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X_X延伸。在這種情況下，如圖1A到圖2中所示，沿可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X延伸的永磁體12和13的側(cè)面分別被磁化成N極和S極，并且因此其磁化方向與可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X基本上正交。在該實(shí)施方式中，關(guān)于鏡面單兀11配置永磁體12和13使得磁化方向可以基本上平行于鏡面單元11的反射表面11a。根據(jù)永磁體12和13以及鏡面單元11的布置來確定下文所述的主驅(qū)動(dòng)單元30的配置。從降低慣性力矩的觀點(diǎn)來看，如在鏡面單元11的情況下，永磁體12和13中的每一個(gè)優(yōu)選地被布置為關(guān)于可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。如上所述,與可移動(dòng)框架14 一體地形成主扭轉(zhuǎn)梁21和22，并且主扭轉(zhuǎn)梁21和22可擺動(dòng)地支撐可移動(dòng)鏡面10。根據(jù)可移動(dòng)鏡面10的尺寸確定主扭轉(zhuǎn)梁21和22的尺寸。具體地，由等式(I)確定扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)使得具有從將要使用的鏡面單元11和永磁體12和13的尺寸獲得的慣性力矩的可移動(dòng)鏡面10可以在預(yù)定的諧振頻率振蕩，并且因此確定主扭轉(zhuǎn)梁21和22的尺寸。如圖1B中所示，主驅(qū)動(dòng)單元30包括軛單元31、32和33，軛單元31、32和33包括3個(gè)組件，并且這些組件沿可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X布置以圍繞永磁體12和13。軛單元的三個(gè)組件31、32和33各自具有與永磁體12和13相對(duì)布置的端部。第一軛31和第二軛32分別具有彼此相對(duì)布置以將永磁體12和13夾在中間的第一端部31a和第二端部32a。第三軛33具有在與永磁體12和13的磁化方向基本上正交的方向上與永磁體12和13相對(duì)布置的第三端部33a。如此配置的軛單元31、32和33被布置為關(guān)于平面Y-Y對(duì)稱，其中平面Y-Y包括可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X并且與永磁體12和13的磁化方向基本上正交。軛單元31、32和33的尺寸例如如下:第一端部31a與第三端部33a之間的間隙以及第二端部32a與第三端部33a之間的間隙處于Imm到2mm的范圍內(nèi)。主驅(qū)動(dòng)單元30進(jìn)一步包括線圈34，線圈34被纏繞在第一軛31上并且被配置為被通電以磁化軛單元31、32和33，因而生成將要被施加到可移動(dòng)鏡面10的永磁體12和13上的磁場(chǎng)。如下文所詳述的，根據(jù)該實(shí)施方式的線圈34被配置為當(dāng)被通電時(shí)在第一端部31a和第二端部32a與第三端部33a中形成不同的磁極。線圈34的匝數(shù)例如是200。由H = ΝΙ/g近似地表示在間隙g之間生成的磁場(chǎng)H的量級(jí)，其中g(shù)是第一端部31a與第三端部33a之間的間隙以及第二端部32a與第三端部33a之間的間隙并且N和I分別是線圈34的匝數(shù)和線圈34的電流。例如，當(dāng)線圈匝數(shù)N是200，電流I是200mA并且間隙g是2mm時(shí)，施加在永磁體12和13上的磁場(chǎng)H是2X 104A/m(2500e)。磁場(chǎng)的這種尺寸和量級(jí)是可彈性地設(shè)計(jì)的值。接下來參考圖3A和圖3B，將描述根據(jù)該實(shí)施方式的可移動(dòng)鏡面10的振蕩運(yùn)動(dòng)。圖3A和圖3B是各自與圖1B相對(duì)應(yīng)的用于描述該實(shí)施方式的可移動(dòng)鏡面10的運(yùn)動(dòng)的光學(xué)掃描設(shè)備I的示意性截面圖。當(dāng)主驅(qū)動(dòng)單元30的線圈34被通電時(shí)，在第一軛到第三軛31、32和33中生成磁通量，并且在第一端部到第三端部31a、32a和33a中形成磁極。在這種情況下，如圖3A和圖3B中所示，在第一端部31a和第二端部32a中形成同一類型的磁極，而在第三端部33a中形成不同的磁極。結(jié)果，在第一端部31a與第三端部33a之間以及在第二端部32a與第三端部33a之間生成磁場(chǎng)。如圖3A中所示，當(dāng)向線圈34施加預(yù)定方向的電流時(shí)，在第一端部31a和第二端部32a處生成N極同時(shí)在第三端部33a處生成S極。因此，分別從第一端部31a和第二端部32a向第三端部33a生成磁場(chǎng)。將該磁場(chǎng)施加到永磁體13上，并且永磁體13 (即可移動(dòng)鏡面)如圖所示向左傾斜以便永磁體13的S極以及第三端部33a的N極可以彼此吸引。另一方面，當(dāng)如圖3B中所示向線圈34施加以與該預(yù)定方向相反的方向流動(dòng)的電流時(shí)，在第一端部31a和第二端部32a處生成S極，同時(shí)在第三端部33a處生成N極。因此，分別從第三端部33a向第一端部31a和第二端部32a生成磁場(chǎng)。將該磁場(chǎng)施加到永磁體13上，并且永磁體13 (即可移動(dòng)鏡面)如圖所示向右傾斜以便永磁體13的N極以及第一端部31a的S極可以彼此吸引。因此，以某個(gè)角度入射的光線可以例如一方面以淺角度被反射(見圖3A)，并且另一方面以深角度被反射(見圖3B)。因此，可以通過改變流經(jīng)線圈34的電流的方向和量級(jí)任意地設(shè)置掃描光線的角度?，F(xiàn)在，將通過采用具體的示例來描述該實(shí)施方式的永磁體12和13的形狀。圖4示出了當(dāng)在永磁體12和13的體積和厚度(即與反射表面Ila垂直的長(zhǎng)度)保持恒定的情況下改變永磁體12和13的軸向長(zhǎng)度(即沿可移動(dòng)鏡面10的振蕩軸X-X的長(zhǎng)度)時(shí)對(duì)于圖1A到圖2中所示的可移動(dòng)鏡面10計(jì)算可移動(dòng)鏡面10的振蕩角度的結(jié)果。垂直軸指示可移動(dòng)鏡面10的最大振蕩角度的絕對(duì)值。可移動(dòng)鏡面10的諧振頻率是4kH，永磁體12和13中的每一個(gè)的體積和厚度分別是3.6mm3和0.3mm,并且永磁體12和13的磁化強(qiáng)度是1.3T。施加到永磁體12和13的磁場(chǎng)是104A/m，并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是50。可以由具有200匝的線圈34(電流是50mA)生成該量級(jí)的磁場(chǎng)，該線圈被纏繞在間隙為Imm的主驅(qū)動(dòng)單元30上，并且機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也是合理的。從圖4可以理解，可移動(dòng)鏡面10的最大振蕩角度隨著永磁體12和13的軸向長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)而增加。這是因?yàn)橛来朋w12和13的寬度(即沿反射表面Ila的長(zhǎng)軸方向的長(zhǎng)度)與軸向長(zhǎng)度成反比地減小，因而降低永磁體12和13的慣性力矩。換句話說，根據(jù)慣性力矩的改變，可以降低主扭轉(zhuǎn)梁21和22用于獲得預(yù)定諧振頻率(例如，4kHz)的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)(見等式(I))。結(jié)果，可以極大地振蕩可移動(dòng)鏡面10。因此，使得主驅(qū)動(dòng)單元30的軸向長(zhǎng)度更長(zhǎng)，并且體積和DC阻抗略微增加。但是，這些不是主要問題。過長(zhǎng)的永磁體軸向長(zhǎng)度對(duì)于設(shè)備形狀并不合適。因此，在該實(shí)施方式中，永磁體12和13優(yōu)選地是在軸向方向上延伸的扁平長(zhǎng)方體。例如，永磁體12和13中的每一個(gè)的尺寸如下:軸向長(zhǎng)度是6mm,寬度是2mm并且厚度是0.3mm。接下來，將通過采用具體示例來描述可移動(dòng)鏡面10的振蕩角度(即旋轉(zhuǎn)角度)。在圖3A和圖3B中，從下文所示的運(yùn)動(dòng)方程得出可移動(dòng)鏡面10從它的靜態(tài)位置(見圖1B)的振蕩角度Θ (t)
I (d2/dt2) Θ (t) +kg θ (t)+b(d/dt) θ (t) _MH(t) cos ( θ 0-θ (t)) =O (4)1:可移動(dòng)鏡面10的慣性力矩H(t):在永磁體12和13的位置處施加的磁場(chǎng)M:可移動(dòng)鏡面10的磁矩(在水平方向上指向左邊)ke:主扭轉(zhuǎn)梁21和22的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)b:阻尼因數(shù)Θ ^:施加的磁場(chǎng)H (t)關(guān)于垂直方向的傾斜角度對(duì)于Θ⑴和Qtl，假設(shè)圖3A和圖3B中的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)是正方向，并且為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)施加的磁場(chǎng)H(t)的量級(jí)是均勻的。假設(shè)可移動(dòng)鏡面10的慣性力矩I是包括鏡面表面材料的鏡面單元11以及永磁體12和13的慣性力矩。假設(shè)H(t) =H0Sin(Wt), Θ。= 0并且Θ (t)被設(shè)置為等于或小于10°，如下近
似地給出等式(4)中所示的運(yùn)動(dòng)方程的解:
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)掃描設(shè)備，包括: 主可移動(dòng)部分； 一對(duì)可扭轉(zhuǎn)變形的主扭轉(zhuǎn)梁，彼此相對(duì)布置在所述主可移動(dòng)部分的兩個(gè)端部，并且可擺動(dòng)地支撐所述主可移動(dòng)部分；以及 驅(qū)動(dòng)所述主可移動(dòng)部分振蕩的主驅(qū)動(dòng)單元； 其中所述主可移動(dòng)部分包括:具有用于反射光線的反射表面的鏡面單元，以及彼此相對(duì)布置以將所述鏡面單元夾在中間的一對(duì)永磁體，每個(gè)永磁體沿所述主可移動(dòng)部分的振蕩軸延伸，以及 其中所述主驅(qū)動(dòng)單元包括:被設(shè)置為沿所述主可移動(dòng)部分的所述振蕩軸布置以圍繞所述永磁體的軛單元，以及纏繞在所述軛單元上并且被配置為通電以磁化所述軛單元從而生成將被施加到所述永磁體上的磁場(chǎng)的線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述永磁體被布置為基本上關(guān)于所述主可移動(dòng)部分的所述振蕩軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，并且被布置使得磁化方向能夠基本上與所述主可移動(dòng)部分的所述振蕩軸正交。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述軛單元被布置為基本上關(guān)于包括所述主可移動(dòng)部分的所述振蕩軸的平面對(duì)稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)掃描設(shè)備,其中: 所述永磁體被布置使得所述磁化方向能夠基本上與所述平面正交； 所述軛單元包括被設(shè)置為彼此相對(duì)布置以將所述永磁體夾在中間的兩個(gè)端部，以及被設(shè)置為在與所述永磁體的所 述磁化方向基本上正交的方向上與所述永磁體相對(duì)布置的一個(gè)端部；以及 所述線圈被纏繞在所述軛單元上，以便當(dāng)被通電時(shí)在所述兩個(gè)端部與所述一個(gè)端部中形成不同的磁極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中， 所述永磁體被布置使得所述磁化方向能夠基本上與所述平面平行； 所述軛單元包括彼此相對(duì)布置以將所述永磁體夾在中間的兩個(gè)端部；以及 所述線圈被纏繞在所述軛單元上，以便當(dāng)被通電時(shí)在所述兩個(gè)端部中形成不同的磁極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一權(quán)利要求所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述鏡面單元由密度低于構(gòu)成所述一對(duì)主扭轉(zhuǎn)梁的材料的材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一權(quán)利要求所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述鏡面單元被布置為基本上關(guān)于所述主可移動(dòng)部分的所述振蕩軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一權(quán)利要求所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述鏡面單元的所述反射表面的外圍邊緣被形成為法蘭形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一權(quán)利要求所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述主可移動(dòng)部分包括: 在所述鏡面單元的兩個(gè)端部彼此相對(duì)布置并且可擺動(dòng)地支撐所述鏡面單元的一對(duì)可扭轉(zhuǎn)變形的子扭轉(zhuǎn)梁，每個(gè)子扭轉(zhuǎn)梁在基本上與所述主可移動(dòng)部分的所述振蕩軸正交的方向上延伸；以及驅(qū)動(dòng)所述鏡面單元振蕩的子驅(qū)動(dòng)單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求 9所述的光學(xué)掃描設(shè)備，其中所述子驅(qū)動(dòng)單元具有壓電材料。
全文摘要
本光學(xué)掃描設(shè)備(1)具有主可移動(dòng)部分(10)；一對(duì)主扭轉(zhuǎn)梁(21，22)，彼此相對(duì)布置在主可移動(dòng)部分(10)的兩個(gè)端部，可旋轉(zhuǎn)地支撐主可移動(dòng)部分(10)并且能夠扭轉(zhuǎn)變形；以及主驅(qū)動(dòng)單元(30)，使主可移動(dòng)部分(10)旋轉(zhuǎn)。主可移動(dòng)部分(10)具有鏡面部分(11)，具有反射光線的反射表面(11a)；以及一對(duì)永磁體(12，13)，彼此相對(duì)布置且鏡面部分(11)夾在兩者之間，每個(gè)永磁體沿主可移動(dòng)部分(10)的旋轉(zhuǎn)軸(X-X)延伸。主驅(qū)動(dòng)單元(30)具有軛部分(31，32，33)，沿主可移動(dòng)部分(10)的旋轉(zhuǎn)軸(X-X)布置以便圍繞永磁體(12，13)；以及線圈(34)，纏繞在軛部分(31，32，33)周圍，并且當(dāng)通電時(shí)，激勵(lì)軛部分(31，32，33)，因而產(chǎn)生作用在永磁體(12，13)上的磁場(chǎng)。
文檔編號(hào)B81B3/00GK103180772SQ20118005171
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者本田雄士, 高梨伸彰 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社