专利名称：框架振荡装置上的磁体的制作方法
技术领域：
0001本发明一般地涉及扭转铰接MEMS (微机电系统)振荡装置 的领域。更具体地，本发明涉及用于提供例如镜子等枢轴旋转装置的 方法和设备，该枢轴旋转装置包括作为磁驱动机构、磁传感机构的两 者之一的一部分或两者的一部分的永磁体，且其中(多个)磁体不是 安装在镜子的后侧。
背景技术：
0002众所周知，在激光打印机中使用旋转多边形扫描镜来提供对 跨越光阻介质(如旋转鼓)的调制光源的图像进行光束扫掠或扫描。 更近期地，已有人努力使用更便宜的带有单独反射表面的平直构件， 例如谐振振荡镜来提供扫描光束。此外，除了镜子之外的谐振振荡构 件也可能是有用的。这些谐振扫描装置在非常有利的成本下提供优越 的性能。然而，因为永磁体(驱动或传感)通常安装在谐振构件的后 侧，磁体和其他旋转元件的质量中心具有非常紧密和临界的公差。
0003另外，装置的临界质量进一步使得在可接受的公差内保持谐 振频率的任务复杂化。根据现有技术中这些振荡装置的磁驱动机构， 永磁体安装在谐振装置的后侧，例如镜子表面的后侧。这个永磁体与 非常接近该装置的驱动线圈相互作用。该装置的临界质量平衡需要永 磁铁被设计为具有一定尺寸、厚度和质量，这些尺寸、厚度和质量具 有非常紧密的公差。其它谐振扭转铰接装置结构可以使用永磁体作为 传感磁体并用惯性或压电驱动机构来保持该装置或镜子以其谐振频率 振荡。
0004然而，不管磁体被用作传感磁体或驱动磁体，它在保持装置 的平直度方面产生问题，并显著扩大振荡质量。因为旋转铰接装置的 一个主要应用是激光打印机中的扫描镜，平直度和稳定的谐振频率是 重要的。上述讨论的问题的一个解决方案是将永磁体从振荡装置或镜子的后面转移到扭转铰链上。不幸的是，尽管这个方案解决了上面讨 论的许多问题，但它也增加了装置的长度，这当然会使得装置更大、 成本更高。
0005因此，提供廉价且易于加工的镜子结构是有优势的，该镜子 结构具有将磁体安装在扭转铰链上的系统的优点，但不需要该结构的 额外长度。
发明内容
0006通过本发明的实施例一般解决或避免这些和其它问题，同时 一般实现技术优势，其中本发明提供扭转铰接枢轴装置，例如带有磁 驱动机构的镜子。
0007扭转铰接装置包括一对扭转铰链，其中所述一对铰链中的每 一个铰链沿着枢轴从第一端延伸到第二端。振荡表面(例如镜子)位 于所述一对扭转铰链中的每一个的第一端之间并且连接于其上。第一 和第二锚杆构件包括安装在支撑结构上的支撑结构部分、沿着所述枢 轴布置的中央部分以及具有渐小横截面积的连接区域，该连接区域将 所述支撑部分连接到所述中央部分。每一个锚杆构件的所述中央部分 连接到扭转铰链的第二端上。
0008
一个扩大安装区域沿着枢轴布置并被连接到与扭转铰链上的 连接相对的锚杆构件的中央部分。具有渐小横截面积的连接区域的厚 度比中央部分的厚度小。作为替换，渐小横截面积可以通过蚀刻沟槽 来形成，所述沟槽完全穿通材料并在扩大安装区域和锚杆构件的支撑 部分之间延伸。渐小横截面积使得安装区域刚性连接到扭转铰链上， 并柔性连接到铰链轴任一侧的锚杆支撑部分。永磁体或铁磁高渗透性 材料可以被附着到(多个)安装区域上。如果所述装置包括多个安装 区域和在两个锚杆附近的磁体，两个磁体均可以被用作驱动磁体，或 者一个磁体可以是驱动磁体而另一个可以被用作位置传感磁体。作为 替换，这个结构可以包括附着到安装区域的传感磁体和附着到锚杆的 支撑部分的压电驱动元件。
0009还提供一个线圈，该线圈包括多重电绕组，该多重电绕组安 装在每一个装有磁体的安装区域的附近。如果磁体是为了提供驱动力以振荡该装置，则电源提供的交变电流流过多重电绕组并产生磁力， 该磁力与永磁体相互作用以使镜子构件绕扭转铰链枢轴旋转。如果磁 体被用作传感磁体，在振荡结构上的永磁体所产生的磁通量将移动经 过电线圈，并将在线圈内感生出代表振荡装置或镜子的角运动或位置 的电压。线圈中感生的电压可以被监测以追踪镜子的角运动。
0010图1是本发明的第一实施例的透视图，其图示说明了安装在
两个锚杆构件的安装区域的永磁体。
0011图1A是另一个实施例的局部透视图，其图示说明了安装在一 个支撑锚杆上的压电元件。
0012图2是与图1相似的本发明的另一个实施例，但示出一种多 层振荡结构。
0013图3是与图2相似的本发明的又一个实施例，但图示说明了 将扩大安装区域附着到支撑构件上的不同方法。
0014图4是现有技术的扭转铰接装置的透视图，其中磁体安装在 装置的后侧；和
0015图5是扭转铰接装置的透视图，其中磁体安装到铰链上的安 装区域。
具体实施例方式
0016示例性实施例是通过对本发明的原理进行图示说明的方式来 描述的。在本发明的权利要求范围内，所描述的示例的其他实施方式 和变化都是可能的。
0017现在参考图4，其示出了使用扭转铰链的现有技术的装置或镜 子12。如图4所示，镜子装置12包括锚杆(例如框架14)和操作部 分16。操作部分16可以是任意选择的装置，包括但不限于镜子、光栅 等。图4中所示的操作部分16是具有用来反射光的反射表面18的镜 子，并由一对从操作部分或装置16延伸到锚杆或框架14的扭转铰链 20和22支撑。在图4的实施例中，锚杆被图示为框架14，然而，应 该认识到与装置16周围的完整框架不同的是，锚杆14可以仅包括一对锚杆衬垫14a和14b (由虚线示出)。
0018驱动机构施加扭矩到装置或镜子的操作表面上，从而装置16 例如镜子表面18将绕扭转铰链20和22枢轴旋转或振荡(优选在谐振 频率下)。枢轴或选择的轴24沿着扭转铰链20和22布置。作为示例， 驱动机构被图示为键合到操作部分或装置16的后侧上的永磁体26。 永磁体26与位于永磁体附近的线圈或绕组所产生的磁力相互作用。
0019在图4所示的实施例中，框架14或锚杆衬垫14a和14b安装 在支撑结构(未示出)上。
0020现在参考图5，其示出了目前可用的单层扭转铰接装置16的 示例，该单层扭转铰接装置包括在每一个扭转铰链上的扩大安装区域。 图5所示的装置中与图4的结构共用的那些组件和元件具有与前述的 现有技术图4中相同的参考数字。如图5所示，具有一个拉长的椭圆 形部分16，例如镜子，其由第一扭转铰链20来支撑，该第一扭转铰链 20具有被扩大安装区域28隔开的第一部分20a和第二部分20b。如图 所示，扭转铰接部分20a的一端附着到锚杆构件14a，另一端附着到扩 大安装区域28。扭转铰接部分20b的一端附着到扩大安装区域28，另 一端附着到操作部分或镜子16。另外，图5的结构包括附着到安装区 域28并且与绕组或线圈32相互作用的永磁体30。以相同的方式，第 二扭转铰链22也包括第一和第一铰链部分22a和22b、另一个扩大安 装区域34和另一个永磁体36。还包括位于永磁体36附近的线圈38。
0021还应该注意的是在图5的图示说明中，磁体30和36中的每 一个都分别由在扩大区域28和34的一个表面上的第一磁体部分30a 和36a以及在扩大区域28和34的相对表面上的第二磁体部分30b和 36b组成。然而，本领域技术人员应该认识到安装在扩大区域28和34 上的磁体30和36的顶部和底部的其中一个可以除去，仅使用磁体30a 和36a的一部分。
0022在图5的实施例中，永磁体30和线圈32的组合以及永磁体 36和线圈38的组合都可以被用来驱动操作表面或镜子16的振荡。更 具体地，如果具有与装置16的谐振频率基本相同的频率的驱动信号被 施加到线圈32和域38上，则装置16将在谐振频率下绕枢轴轴线24 前后枢轴转动，这是线圈32和38施加到永磁体30和36上的扭矩的相互作用的结果。
0023作为替换，驱动信号可以只施加到两个线圈或绕组中的一个 上来促使镜子以谐振方式枢轴转动。如果只有一个线圈和永磁体的组 合被用来驱动和维持镜子在谐振频率下振荡，则另一个线圈和永磁体 的组合可以被用来监测振荡的镜子的角位置或运动。本领域技术人员 应认识到，移动或振荡的永磁体(30或36)贯穿相邻线圈32和38的 变化磁通量将产生代表振荡装置16的角位置的交变电压。通过监测这 个变化的电压，就知道或可以确定振荡镜子的角位置。
0024图5的结构装置还图示说明了驱动磁体可以从操作表面或镜 子(如图4所示)的后侧移动到铰链区域。这一改变显著降低转动惯 量和铰接应力，并允许在枢轴旋转装置16上的较大半径或曲率，因为 磁体不穿过操作装置16(例如镜子表面18)所经过的全部的圆周运动。 因此，产生的装置更强壮、更耐用。这个方法解决了与图4中的镜子 结构相关的很多问题。不幸的是，正如可以看到的，锚杆14a和14b 之间的距离比图4中所示类型的等价装置或镜子要长一些。这一尺寸 的增大和相应封装尺寸的增大增加了成本，削弱了该结构的其他优点。
0025因此，现在参考图l，其图示说明了本发明的第一个实施例， 该实施例可以在其谐振频率下枢轴转动或振荡，其包括图5中的结构 的优点，但是实际上并不比图4中的结构大很多。图1的装置中与图4、 图5中结构的元件相同的以及操作相同的那些元件具有相同的参考数 字。
0026如图所示，图1中的结构包括图4、图5中的一些元件，包括 框架和/或锚杆构件40a和40b、操作表面或镜子16以及扭转铰链20 和22。然而，扭转铰链20和22不包括扩大安装区域28和34，而是 在操作装置16和锚杆40a和40b之间直接延伸。另外，扩大安装区域 42和44被附着到与铰链20和22相对的锚杆40a和40b上。在图1所 示的实施例中，锚杆40a和40b中包括附着到扭转铰链上的中央部分。 铰链每一侧上的支撑，分通过具有渐小横截面积的区域连接在一起。 图1中的渐小区域是^将扩大区域42和44与锚杆构件隔开的沟槽46a 和46b定义的。如在图1中也说明的，沟槽46a和46b被刻蚀完全通 过锚杆40a和40b的材料。永磁体30和36以与图2相似的方式安装在扩大区域42和44上。如上所述，永磁体30和36与线圈32和38 相互作用来为镜子提供扭矩和/或监测操作装置16的角位置。还应该认 识到永磁体可以被替换为铁磁材料，如镍/铁合金等，因为这类材料能 够被磁场所吸引。铁磁材料可以被用来驱动振荡镜子或感测角位置。 然而，使用铁磁材料来感测角位置将需要传递电感的变化而不是电压 的变化。
0027图1A是本发明的另一个实施例的局部透视图，其中具有电连 接50a、 50b、 50c和50d的压电元件48a和48b被附着到至少一个锚杆 衬垫(例如锚杆衬垫14b)上来为装置16提供振荡。
0028如果压电元件仅在一个锚杆衬垫和扭转铰链(例如14b和18) 上被用作驱动源，如图1-3所示的磁体布置可以与另一侧(例如20) 上的锚杆衬垫14a和扭转铰链20—起使用来监测装置的角位置。作为 替代，可以根据本发明的教导通过上述磁体布置来驱动该装置，且图 1A的压电元件布置可以被用来监测装置的角位置。
0029图2与图1类似，图2中与图1中共用的那些元件带有相同 的参考数字。然而，与单层镜子结构不同的是，图2图示说明了结构 的振荡镜子部分可以是多层的。如图所示，存在一铰接层，其具有扭 转铰链20和22以及桁架部分16a。反射表面层16b附着到桁架结构 16a的一侧，而平衡层16c附着到桁架结构16a的另一个表面。平衡层 16c被设计为平衡反射部分表面层16b的质量，以便质量中心沿着轴 24布置。本领域技术人员还应认识到所有三个层16a、 16b和16c可以 在键合在一起的独立结构，或者优选的是反射表面部分16b和桁架结 构16a可以从单片硅上刻蚀出来。
0030图3示出了与图2相似的多层结构，但将扩大安装区域42和 44分别附着到支撑锚杆52a和52b的中央部分的外缘以及相对的扭转 铰链20和27上。另外，为了在扭转铰链20和22与支撑结构52a和 52b的连接点处提供弹性，根据本实施例，连接支撑部分到中央部分的 渐小区域是减薄区域54a、 54b、 54c和54d。针对图1和图2讨论，这 里使用减薄区域54a、 54b、 54c和54d而不是沟槽46a和46b。
权利要求
1.一种振荡扭转铰接装置包括一对扭转铰链，所述一对扭转铰链中的每个铰链沿着枢轴从第一端延伸到第二端；振荡构件，所述振荡构件位于所述扭转铰链之间，并且连接到每个所述扭转铰链的所述第一端；第一和第二锚杆构件，所述第一和第二锚杆构件中的每一个都包括安装在支撑结构上的支撑部分、沿着所述枢轴布置的中央部分以及将所述支撑部分连接到所述中央部分上的渐小区域，所述中央部分连接到所述一对扭转铰链的一个铰链的所述第二端；和第一和第二扩大安装区域，所述第一和第二扩大安装区域沿着所述枢轴布置，并分别连接到所述第一和第二锚杆构件的所述中央部分，与所述扭转铰链的所述连接相对。
2. 如权利要求1所述的振荡扭转铰接装置，进一步包括连接到至少 一个所述扩大安装区域的铁磁性材料或永磁体。
3. 如权利要求2所述的振荡扭转铰接装置，进一步包括位于所述铁 磁性材料或永磁体附近的电线圈。
4. 如权利要求3所述的振荡扭转铰接装置，其中所述振荡构件的所 述振荡是由与所述铁磁性材料或永磁体相互作用的所述电线圈产生的磁 通量提供的。
5. 如权利要求4所述的振荡扭转铰接装置，进-步包括安装在所述 锚杆构件另一端的至少一个压电元件，该压电元件用于监测所述振荡构 件的角位置。
6. 如权利要求2所述的振荡扭转铰接装置，其中所述扩大安装区域具有一个顶侧和一个底侧，且所述永磁体的一部分安装在所述扩大安装 区域的所述顶侧和所述底侧上。
7. 如权利要求3所述的振荡扭转铰接装置，包括两个电线圈、两个 扩大安装区域分别连接到所述第一和第二锚杆构件，且每一个扩大区域 具有一个永磁体连接于其上。
8. 如权利要求7所述的振荡扭转铰接装置，其中所述振荡构件的所 述振荡是通过所述永磁体中的一个与所述电线圈中的一个的相互作用产 生的，且其中所述振荡构件的所述振荡是由所述永磁体中的另一个与所 述电线圈中的另 一个的相互作用进行监测的。
9. 如权利要求7所述的振荡扭转铰接装置，其中所述振荡构件的所 述振荡是通过两个永磁体与相应电线圈的相互作用产生的，且所述振荡 扭转铰接装置进一步包括安装到所述振荡构件上的另一个永磁体和一个 电线圈，所述电线圈位于所述另一个永磁体附近来监测所述振荡构件的 角位置。
10. 如权利要求7所述的振荡扭转铰接装置，其中所述振荡构件的所 述振荡是由安装在所述锚杆构件中的一个上的压电元件提供的。
11. 如权利要求1-10中任一个所述的振荡扭转铰接装置，其中所述装 置是一个镜子。
全文摘要
公开了一种振荡扭转铰接装置(16)，例如镜子，其具有带有安装在铰链上(20，22)的永磁体的振荡装置的优势，而没有过大的尺寸。永磁体(26)被安装在锚杆构件的区域中而不是直接安装到铰链上。
文档编号G02B26/08GK101310207SQ200680042552
公开日2008年11月19日 申请日期2006年9月18日 优先权日2005年9月16日
发明者A·S·德瓦, J·W·奥克特 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司