專利名稱：在閉環操作中微機電系統反射鏡的穩定性的制作方法
技術領域：
0001本發明一般涉及掃描設備，以及穩定這種掃描設備的速度分布(例如打印和顯示設備中使用的掃動光束的速度分布)的方法和設備。
背景技術：
0002扭轉鉸接或檢流計類反射鏡為旋轉式多邊形反射鏡提供了一種便宜的替代性機構，所述旋轉式多邊形反射鏡產生適用于可視顯示器和高速打印機的掃動光束。本領域技術人員將會意識到，為了利用激光打印機打印高質量圖像，將光束掃描或掃動過光敏介質(例如旋轉輥)的反射鏡必須以相同的速度描繪出或者遵循相同的路徑，并且每次掃描或掃動具有相同的時間周期。無法精密地重復每次掃描或掃動的位置和時間的情況被稱為抖動。扭轉鉸接或檢流計反射鏡是高Q(品質因數)諧振掃描振蕩器，其反射鏡末梢速度在音速的十分之一內。在這些速度上，空氣阻力是反射鏡上主要的能量耗散機制(阻尼)。所述旋轉反射鏡附近的氣流或氣體密度波動會造成旋轉幅度的低頻變化。這些幅度變化造成掃描光束的低頻抖動，這又會在高質量打印圖像中產生偽象。光束位置傳感器能夠被用來產生與光束抖動幅度和/或期望的速度分布的偏差成比例的誤差信號。這些誤差信號與通用PI(比例積分)或類似控制器一起共同確定傳送至驅動機構的功率，并抑制幅度變化、減少光束掃動中的變化。不幸的是，除了產生掃描光束的振蕩或旋轉模式，檢流計或扭轉鉸接反射鏡還具有振動模式。因此，如果控制環或反饋環使激活反射鏡的非旋轉模式的驅動機構的頻率分量產生變化，則可能激活不期望的振動模式。某些振動模式的激活能夠產生光束運動，這又會產生甚至更大的誤差信號。然后反饋環可能盡量通過進一步增加驅動修正來抑制這個更大的信號，但這樣卻進一步擴大了誤差。這個不穩定過程放大或泵激所述不期望模式，并且被控系統可能振蕩甚至發散。實際上，這個問題被視為高比例環增益設置下誤差信號和反射鏡抖動中的振蕩。
0003因此，旋轉幅度穩定的廉價扭轉鉸接掃描系統將是有優勢的。如果在對操作系統的現有結構進行最小改變的情況下就能夠實現該系統，那么這樣的系統將更有優勢。
發明內容
0004本發明給出的上述抖動和穩定性問題的方案是通過在鏡面質量平衡中產生不對稱性或者在產生驅動場的扭矩中產生不對稱性。這種不對稱性連同足以改變位置傳感器產生的誤差信號的主要旋轉或振蕩一起引入了微小的橫向反射鏡運動，因而大大減少了控制器系統的不期望模式的放大或泵激。因此穩定了反射鏡的運動，防止了不期望振動模式的放大。更具體地，所述輕微的橫向運動對掃描光束速度分布的影響可忽略，還允許具有低抖動和高比例增益值的閉環控制。因此，所述“輕微的”橫向運動留下了足夠的余量來控制真實世界系統和環境干擾。
0005為了實現這一方案，本發明包括穩定扭轉鉸接裝置(例如扭轉鉸接反射鏡)的旋轉運動的方法和設備。振蕩組件的方法和設備包括繞軸旋轉裝置(諸如例如反射鏡)，其由沿旋轉軸線延伸的扭轉鉸鏈支撐。響應于驅動信號的驅動機構使繞軸旋轉裝置繞著旋轉軸線以選定的速度和幅度振蕩，這確定了速度分布。
0006但是，根據本發明，振蕩組件包括選定的不對稱特征，其特意產生幾微米量級的橫向運動。然后傳感器被定位成周期性地監視繞軸旋轉裝置的位置，并產生代表所監視位置的信號。控制或反饋電路被連接至傳感器，以接收位置信號，并確定驅動信號的參數，其將維持繞軸旋轉裝置以所選速度分布的速度和幅度振蕩。所述控制電路向電源提供驅動信號參數，電源又產生具有所確定參數的驅動信號。
0007根據一個實施例，產生橫向運動的所選非對稱特征，是用來非對稱地制造所述繞軸旋轉裝置，從而所述裝置的質心偏離所述旋轉軸線。
0008根據第二實施例，所述驅動機構被構造成，在所述繞軸旋轉裝置上產生不對稱或不平衡扭矩，所述繞軸旋轉裝置具有引起橫向運動的部件。作為例子，一類驅動機構是利用一個或多個電磁線圈，其與一個或多個安裝在扭轉鉸接繞軸旋轉裝置(諸如例如，反射鏡)上的永磁體相互作用。通常，應該注意保證磁體被安裝成使引起來回振蕩的磁力所造成的扭矩被平衡。但是，根據本發明的這個實施例，永磁體被特意定位成，使扭矩不平衡(即不對稱)，并且還使得產生輕微的橫向運動。
0009前述內容相當廣泛地概括了本發明的特征和技術優勢，以便可以更好地理解隨后的本發明的詳細描述。本發明的附加特征或優勢將在下文中描述，其形成本發明權利要求的主題。本領域技術人員應該意識到，所公開的概念和具體實施例可以很容易地用作改進或設計執行本發明相同目的的其他結構和處理的基礎。本領域技術人員還應該認識到，這樣的等同結構并不脫離本文所給出的本發明的范圍。
0010為了更完整地理解本發明及其優點，現參考下面結合附圖給出的描述，在所述附圖中0011圖1是扭轉鉸接掃描系統(例如可受益于本發明教導的掃描反射鏡)的簡化圖；0012圖2圖解說明了適用于圖1系統中的驅動和反饋電路的方框圖；0013圖3A、3B和3C是曲線圖，其示出振蕩扭轉鉸接裝置的角度或位置，以及由一對傳感器產生的用于圖1系統的反饋的信號。
0014圖4A、4B和4C圖解說明了本發明的第一實施例，其中在垂直于一條正交于該裝置表面的軸線并且垂直于旋轉軸線的方向上的裝置質心偏移導致了該橫向運動；0015圖5圖解說明了第二實施例，其中所述裝置質心沿著正交于該裝置表面并且垂直于旋轉軸線的軸線偏移；以及
0016圖6A和圖6B圖解說明了第三實施例，其中該裝置的驅動中心相對于該裝置的旋轉中心偏移。
具體實施例方式
0017下面將詳細描述當前優選實施例的制造和使用。但應意識到，本發明提供可以實施于各種具體情況中的許多可應用的發明概念。所討論的具體實施例僅僅是為了說明制造和使用本發明的具體方式，并不限制本發明的范圍。
0018現參考圖1，其圖解說明了將受益于本發明教導的扭轉鉸接繞軸旋轉裝置的簡化系統圖。圖解說明的系統是一個利用諧振扭轉鉸接反射鏡作為打印機“驅動引擎”的激光打印機。如圖所示，打印機系統包括諧振掃描裝置10，其在該說明性實施例中是反射鏡。掃描裝置10是通過施加驅動扭矩至繞軸轉動的裝置(舉例而言，例如掃描裝置或反射鏡10)來驅動。盡管各種技術或驅動機構12可被用來產生驅動扭矩，一種特別適合的驅動技術(將在下文詳細討論)是使安裝于反射鏡10的操作的后側的永磁體與圖6A和6B中詳細示出的鄰近的電子線圈(12b)相互作用/交感。
0019本領域技術人員應該意識到，激光打印機包括來自源16的光束14，其被引導朝向旋轉反射鏡10的反射表面。旋轉反射鏡10來回振蕩或旋轉，如雙箭頭18所示，從而在感光介質20(例如感光輥)上產生由14a、14b和14n標示的掃描光束。還包括一個光學光束傳感器，并且優選包括一對光學光束傳感器22a和22b，在每次所述反射光束14a-14n穿過固定在公知位置上的光學光束傳感器時，所述光束傳感器通過導線對24a和24b提供信號脈沖。導線對24a和24b上的信號脈沖被提供至監視和控制電路26，其利用該信號來確定驅動脈沖的必要參數(例如開始時間和持續時間)，以穩定和維持反射鏡旋轉的旋轉幅度。如果驅動機構12是磁性的，則在所示例子中，電源被監視，并且控制電路26將響應于所確定的參數(其通過連接導線28提供至磁性線圈)產生驅動脈沖。但是，根據本發明，引入相對于扭轉鉸接裝置或驅動扭矩的應用不對稱的特征。除了期望的來回旋轉或振蕩運動外，這種不對稱特意為扭轉鉸接裝置引入了輕微的橫向運動。橫向運動應該對于主旋轉運動的每一度不大于約±1微米，并且優選對于主旋轉運動的每一度不大于±0.5微米。本領域技術人員將會意識到，橫向運動當然會影響或改變光束14a-14m在感光輥20上的運動。這種運動在旋轉運動上產生微小吊床類擺動，并且將在光束速度分布中產生輕微變化。這些變化在各次掃描中是重復性的，并且不會產生抖動。僅在如果速度分布隨著時間改變時，才會發生抖動。為了本發明的目的，振蕩反射鏡的速度分布由于引入的橫向運動而產生的變化應該不大于約±0.06％，并且優選不大于約±0.03％。
0020如上面所討論的，監視和控制電路26從傳感器22a和22b接收信號脈沖，并利用這些脈沖使振蕩裝置維持在正確的旋轉幅度。現在參考圖2，示出了這種穩定的反饋或監視和控制電路的功能閉環示意方框圖。如圖所示，在輸出端30周期性地提供維持期望振蕩頻率和幅度的基本驅動命令或信號。輸出端30上的基本驅動信號是已知頻率和已知檢測器位置的缺省值。基本信號在節點32與線路34上輸入的誤差信號(其表示與來自光束檢測器22a和22b的脈沖的期望定時的時間偏差)結合。線路36上得到的信號被提供給比例校正(KP)電路38和集成校正(KI)電路40。KP和KI電路的輸出在節點42結合，并發送至占空比電路44，其接收校正信號并改變校正振蕩裝置(例如反射鏡)的速度分布所需的占空比。盡管可以改變其他參數來校正振蕩裝置的速度分布，但如果是用永磁體磁性線圈驅動結構向該組件提供扭矩，那么改變恒定幅度驅動脈沖的占空比或持續時間被發現是特別有效的。因此，如圖所示，具有已知開始時間以及響應于振蕩裝置的速度分布變化的占空比的驅動脈沖被提供至驅動機構12，根據一個實施例驅動機構12是電磁線圈。因此理想化地，作為由方框46標示的諧波扭轉鉸接裝置的動態特性的結果，只要線路30上的基本驅動脈沖被提供給電磁線圈，該諧波裝置就將繼續以已知諧波頻率和可重復的速度或速度分布操作。不幸的是，如上所討論的，其他因素(例如氣流和振動等)在扭轉鉸接裝置上會施加不期望的力，這些力在扭轉鉸接裝置的運動或速度分布中引起掃描方向變化或抖動。這種掃描速度變化由標記為“壞”動態特性的方框48表示。因此，如在節點50所示的，由方框46表示的裝置動態特性和“壞”動態特性46的結合引起速度分布或由傳感器22a和22b產生脈沖的時間的變化。但是，這些由于“壞”動態特性引起的掃描速度變化還可以導致具有和反饋環路設計頻率不同的頻率分量的誤差信號。因此，雖然反饋環通常可以正確地補償變化，但反射的或混淆的數據信號也可以落入反饋環的控制帶寬的范圍內。然后這個混淆數據信號可以導致驅動信號變化，該驅動信號使抖動問題惡化，而不是減少或削弱這個問題。
0021圖3A、3B、和3C幫助說明這個問題。圖3A-3C中每一個都把時間示為曲線圖的水平軸52。圖3A的垂直軸54表示振蕩裝置的旋轉角。因此，如圖所示，圖3A中的曲線56說明了諧波扭轉鉸接裝置的角位置如何隨時間變化。圖3A的垂直軸54也說明了光束的角位置，傳感器22a和傳感器22b將在這些角位置處產生脈沖。因此對于表示振蕩裝置角位置的正弦曲線56的每個峰值(最大值和最小值)，分別存在由參考數字(58a-58b)和(60a-60b)標示的由傳感器20a和20b產生的脈沖對。圖3B說明了由傳感器20a產生的脈沖，圖3C說明了由傳感器20b產生的脈沖。
0022如上面所提到的，本發明解決這些問題是通過特意在所述振蕩裝置中設計不對稱性，而有意識地在諧波振蕩裝置的運動中引入橫向運動。因此，根據圖4A、4B和4C所示的第一實施例，其公開了一種偏移扭轉鉸接反射鏡質心的技術，該反射鏡由一個與電磁線圈相互作用的單永磁體驅動。參考圖4A，其說明了對稱平衡扭轉鉸接反射鏡裝置60的側視圖和后視圖。如圖所示，反射鏡設備60包括反射部分62、支撐部分64、以及鉸鏈層66。鉸鏈層66形成一對扭轉鉸鏈68a和68b，它們提供了繞旋轉軸線70的旋轉。同樣如圖所示，存在以旋轉軸線70為中心的永磁體72。因此應該意識到，反射部分62、支撐部分64以及鉸鏈層66是對稱的。而且，由于永磁體72以旋轉軸線70為中心，該組合結構的質心以轉動的旋轉軸線為中心。
0023但是，參考圖4B可以發現，組合反射鏡結構60a與圖4A的組合結構60相同，除了永磁體72a被置于或偏離法線或軸線74一個由雙箭頭76指示的選定距離。
0024應該明白，偏移的永磁體72a將導致組合結構60a的質心也具有偏移。這個偏移質心將導致在諧波振蕩裝置的主旋轉運動中添加有意的橫向運動。這個橫向運動是扭轉鉸接裝置選定速度分布中的變化，并且應該被限制成不大于選定速度分布的變化的±0.06％，并且優選不大于變化的±0.03％。
0025圖4C的組合結構也類似于圖4A的結構60，除了反射部分62和支撐部分64是相對于鉸鏈層66偏移。在這個實施例中，永磁體72仍然以旋轉軸線70為中心，但整個組合結構的質心還是偏離旋轉軸線。
0026圖5的結構60c也類似于圖4A的結構60，除了質心沿遠離旋轉軸線70的法線74偏移。這可以通過改變永磁體72b的厚度來實現。例如，如果磁體厚度增加，質心將在箭頭78a的方向上遠離旋轉軸線70。反之，如果磁體厚度降低，質心將沿著箭頭78b遠離旋轉軸線。還應該意識到，這種不對稱性還可以通過改變扭轉鉸接裝置的任何其他部件的厚度或密度來實現。
0027圖6A和6B圖解說明了用于建立振蕩反射鏡不對稱性的又一實施例。利用圖4A的對稱結構60對圖6A和6B進行說明。另外，圖4A的結構60被示為具有磁性驅動機構80，磁性驅動機構80和永磁體相互作用以在結構60上形成旋轉扭矩。在圖6A中還可看出，反射鏡結構60被定位成，使得它的垂直軸線(或法線)74被等間距的布置在磁芯臂82a和82b之間。因此，隨著芯臂82a和82b被開關以連續交替地提供北極和南極，和永磁體72的磁交互作用將提供這種磁力，其繞著它的旋轉軸線70振蕩反射鏡結構。但是，根據圖6B所示的本發明的另一個實施例，扭轉鉸接結構60c被定位成，使得法線或軸線74更接近于芯臂82a，并進一步遠離磁芯臂82b。這種在芯臂的相對位置中的偏移將導致在結構60c上施加不對稱磁力，其又會造成有意的橫向運動。
0028雖然已經詳細的描述了本發明及其優點，但應該理解的是，在不脫離由所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的情況下，可以在此進行各種變化、替換和替代。
0029而且，本申請的范圍不應被限制在本說明書中描述的處理過程、機器、產品、物質成分、手段、方法和步驟的具體實施例。因為本領域技術人員根據本發明的公開將很容易意識到，可以根據本發明利用現有的或者以后開發的、執行與本文所述的相應實施例基本相同功能或者達到基本相同結果的處理過程、機器、產品、物質成分、手段、方法和步驟。因此，所附權利要求理應將這樣的處理過程、機器、產品、物質成分、手段、方法和步驟包括在它們的范圍內。
權利要求
1.一種扭轉鉸接掃描系統，包括振蕩組件，其包括一個繞軸轉動裝置和一個響應于驅動信號的驅動機構，所述繞軸轉動裝置由一對沿著旋轉軸線放置的扭轉鉸鏈支撐，所述驅動信號用于根據選定的速度分布使所述繞軸轉動裝置振蕩，所述掃描系統包括因所述裝置的主振蕩產生橫向運動的不對稱特征；傳感裝置，其用于感應所述繞軸轉動裝置的位置，并產生代表被感應位置的信號；以及控制電路，其被連接成接收代表所述被感應位置的所述信號，并且用于確定維持所述速度分布必需的所述驅動信號的參數。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述繞軸轉動裝置的質心相對于所述旋轉軸線偏移。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述驅動機構在所述繞軸旋轉裝置上產生不平衡的旋轉扭矩，從而引起所述橫向運動。
4.根據權利要求1-3所述的系統，其中所述驅動機構包括一個安裝在所述振蕩組件上的永磁體，以及一個與所述永磁體交互作用以在所述振蕩組件上形成旋轉扭矩的電磁線圈，且其中所述驅動信號是施加于所述電磁線圈的選定持續時間的電壓脈沖。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述永磁體的質心相對于所述旋轉軸線偏移。
6.根據權利要求4所述的系統，進一步包括具有一對臂的磁芯，其用于朝安裝在所述振蕩裝置上的所述永磁體引導所述電磁線圈產生的磁力線；且其中所述磁芯臂關于所述永磁體被不對稱設置。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述橫向運動對于主旋轉運動的每一度不大于約±1微米。
8.根據權利要求1-7所述的系統，其中所述振蕩組件是扭轉鉸接反射鏡。
9.一種用于穩定扭轉鉸接裝置旋轉運動的方法，包括以下步驟提供一個繞軸轉動裝置，其由沿著旋轉軸線放置的扭轉鉸鏈支撐；響應于驅動信號，根據選定的速度分布使所述繞軸轉動裝置繞所述旋轉軸線振蕩；在所述振蕩裝置中引入橫向運動；感應所述振蕩裝置的位置，并產生代表所述位置的信號；接收所述產生的信號，以計算維持所述速度分布所需的驅動信號；以及產生所述驅動信號。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述引入橫向運動的步驟包括以下步驟繞所述旋轉軸線在所述繞軸轉動裝置的平衡中提供不對稱性。
11.根據權利要求9或10所述的系統，其中所述引入橫向運動的步驟包括以下步驟在引起振蕩的施加到所述繞軸轉動裝置的驅動扭矩中提供不對稱性。
12.根據權利要求9-11所述的系統，其中所述裝置的所述振蕩是由至少一個安裝在所述振蕩裝置上的永磁體和一個接收驅動信號的電磁線圈的交互作用引起的；且進一步包括以下步驟繞所述旋轉軸線在所述扭轉鉸接裝置上不對稱地安裝所述永磁體。
13.根據權利要求9所述的系統，其中所述引入的橫向運動對于主旋轉運動的每一度不大于約±1微米。
14.根據權利要求9-13所述的系統，其中所述扭轉鉸接裝置是反射鏡。
全文摘要
本發明提供了用于去除抖動并穩定扭轉鉸鏈裝置的反饋系統的設備和方法。將來自光束16的光源朝旋轉反射鏡10的反射表面引導到感光介質20上。傳感器22a、22b將運動傳感信號提供給控制驅動機構12的監視和控制電路26。通過在振動裝置10或者施加于所述設備的驅動扭矩18中提供不對稱性來實現穩定性，以便除了所述旋轉運動外，又引入微小的橫向運動。
文檔編號G02B26/00GK1981230SQ200580022337
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月29日 優先權日2004年6月30日
發明者A·M·特納, M·W·黑頓 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司