在闭环操作中微机电系统反射镜的稳定性

具体实施方式

【0017】下面将详细描述当前优选实施例的制造和使用。但应意识到，本发明提供可以实施于各种具体情况中的许多可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

【0018】现参考图1，其图解说明了将受益于本发明教导的扭转铰接绕轴旋转装置的简化系统图。图解说明的系统是一个利用谐振扭转铰接反射镜作为打印机“驱动引擎”的激光打印机。如图所示，打印机系统包括谐振扫描装置10，其在该说明性实施例中是反射镜。扫描装置10是通过施加驱动扭矩至绕轴转动的装置(举例而言，例如扫描装置或反射镜10)来驱动。尽管各种技术或驱动机构12可被用来产生驱动扭矩，一种特别适合的驱动技术(将在下文详细讨论)是使安装于反射镜10的操作的后侧的永磁体与图6A和6B中详细示出的邻近的电子线圈(12b)相互作用/交感。

【0019】本领域技术人员应该意识到，激光打印机包括来自源16的光束14，其被引导朝向旋转反射镜10的反射表面。旋转反射镜10来回振荡或旋转，如双箭头18所示，从而在感光介质20(例如感光辊)上产生由14a、14b和14n标示的扫描光束。还包括一个光学光束传感器，并且优选包括一对光学光束传感器22a和22b，在每次所述反射光束14a-14n穿过固定在公知位置上的光学光束传感器时，所述光束传感器通过导线对24a和24b提供信号脉冲。导线对24a和24b上的信号脉冲被提供至监视和控制电路26，其利用该信号来确定驱动脉冲的必要参数(例如开始时间和持续时间)，以稳定和维持反射镜旋转的旋转幅度。如果驱动机构12是磁性的，则在所示例子中，电源被监视，并且控制电路26将响应于所确定的参数(其通过连接导线28提供至磁性线圈)产生驱动脉冲。但是，根据本发明，引入相对于扭转铰接装置或驱动扭矩的应用不对称的特征。除了期望的来回旋转或振荡运动外，这种不对称特意为扭转铰接装置引入了轻微的横向运动。横向运动应该对于主旋转运动的每一度不大于约±1微米，并且优选对于主旋转运动的每一度不大于±0.5微米。本领域技术人员将会意识到，横向运动当然会影响或改变光束14a-14m在感光辊20上的运动。这种运动在旋转运动上产生微小吊床类摆动，并且将在光束速度分布中产生轻微变化。这些变化在各次扫描中是重复性的，并且不会产生抖动。仅在如果速度分布随着时间改变时，才会发生抖动。为了本发明的目的，振荡反射镜的速度分布由于引入的横向运动而产生的变化应该不大于约±0.06％，并且优选不大于约±0.03％。

【0020】如上面所讨论的，监视和控制电路26从传感器22a和22b接收信号脉冲，并利用这些脉冲使振荡装置维持在正确的旋转幅度。现在参考图2，示出了这种稳定的反馈或监视和控制电路的功能闭环示意方框图。如图所示，在输出端30周期性地提供维持期望振荡频率和幅度的基本驱动命令或信号。输出端30上的基本驱动信号是已知频率和已知检测器位置的缺省值。基本信号在节点32与线路34上输入的误差信号(其表示与来自光束检测器22a和22b的脉冲的期望定时的时间偏差)结合。线路36上得到的信号被提供给比例校正(K_P)电路38和集成校正(K_I)电路40。K_P和K_I电路的输出在节点42结合，并发送至占空比电路44，其接收校正信号并改变校正振荡装置(例如反射镜)的速度分布所需的占空比。尽管可以改变其他参数来校正振荡装置的速度分布，但如果是用永磁体磁性线圈驱动结构向该组件提供扭矩，那么改变恒定幅度驱动脉冲的占空比或持续时间被发现是特别有效的。因此，如图所示，具有已知开始时间以及响应于振荡装置的速度分布变化的占空比的驱动脉冲被提供至驱动机构12，根据一个实施例驱动机构12是电磁线圈。因此理想化地，作为由方框46标示的谐波扭转铰接装置的动态特性的结果，只要线路30上的基本驱动脉冲被提供给电磁线圈，该谐波装置就将继续以已知谐波频率和可重复的速度或速度分布操作。不幸的是，如上所讨论的，其他因素(例如气流和振动等)在扭转铰接装置上会施加不期望的力，这些力在扭转铰接装置的运动或速度分布中引起扫描方向变化或抖动。这种扫描速度变化由标记为“坏”动态特性的方框48表示。因此，如在节点50所示的，由方框46表示的装置动态特性和“坏”动态特性46的结合引起速度分布或由传感器22a和22b产生脉冲的时间的变化。但是，这些由于“坏”动态特性引起的扫描速度变化还可以导致具有和反馈环路设计频率不同的频率分量的误差信号。因此，虽然反馈环通常可以正确地补偿变化，但反射的或混淆的数据信号也可以落入反馈环的控制带宽的范围内。然后这个混淆数据信号可以导致驱动信号变化，该驱动信号使抖动问题恶化，而不是减少或削弱这个问题。

【0021】图3A、3B、和3C帮助说明这个问题。图3A-3C中每一个都把时间示为曲线图的水平轴52。图3A的垂直轴54表示振荡装置的旋转角。因此，如图所示，图3A中的曲线56说明了谐波扭转铰接装置的角位置如何随时间变化。图3A的垂直轴54也说明了光束的角位置，传感器22a和传感器22b将在这些角位置处产生脉冲。因此对于表示振荡装置角位置的正弦曲线56的每个峰值(最大值和最小值)，分别存在由参考数字(58a-58b)和(60a-60b)标示的由传感器20a和20b产生的脉冲对。图3B说明了由传感器20a产生的脉冲，图3C说明了由传感器20b产生的脉冲。

【0022】如上面所提到的，本发明解决这些问题是通过特意在所述振荡装置中设计不对称性，而有意识地在谐波振荡装置的运动中引入横向运动。因此，根据图4A、4B和4C所示的第一实施例，其公开了一种偏移扭转铰接反射镜质心的技术，该反射镜由一个与电磁线圈相互作用的单永磁体驱动。参考图4A，其说明了对称平衡扭转铰接反射镜装置60的侧视图和后视图。如图所示，反射镜设备60包括反射部分62、支撑部分64、以及铰链层66。铰链层66形成一对扭转铰链68a和68b，它们提供了绕旋转轴线70的旋转。同样如图所示，存在以旋转轴线70为中心的永磁体72。因此应该意识到，反射部分62、支撑部分64以及铰链层66是对称的。而且，由于永磁体72以旋转轴线70为中心，该组合结构的质心以转动的旋转轴线为中心。

【0023】但是，参考图4B可以发现，组合反射镜结构60a与图4A的组合结构60相同，除了永磁体72a被置于或偏离法线或轴线74一个由双箭头76指示的选定距离。

【0024】应该明白，偏移的永磁体72a将导致组合结构60a的质心也具有偏移。这个偏移质心将导致在谐波振荡装置的主旋转运动中添加有意的横向运动。这个横向运动是扭转铰接装置选定速度分布中的变化，并且应该被限制成不大于选定速度分布的变化的±0.06％，并且优选不大于变化的±0.03％。

【0025】图4C的组合结构也类似于图4A的结构60，除了反射部分62和支撑部分64是相对于铰链层66偏移。在这个实施例中，永磁体72仍然以旋转轴线70为中心，但整个组合结构的质心还是偏离旋转轴线。

【0026】图5的结构60c也类似于图4A的结构60，除了质心沿远离旋转轴线70的法线74偏移。这可以通过改变永磁体72b的厚度来实现。例如，如果磁体厚度增加，质心将在箭头78a的方向上远离旋转轴线70。反之，如果磁体厚度降低，质心将沿着箭头78b远离旋转轴线。还应该意识到，这种不对称性还可以通过改变扭转铰接装置的任何其他部件的厚度或密度来实现。

【0027】图6A和6B图解说明了用于建立振荡反射镜不对称性的又一实施例。利用图4A的对称结构60对图6A和6B进行说明。另外，图4A的结构60被示为具有磁性驱动机构80，磁性驱动机构80和永磁体相互作用以在结构60上形成旋转扭矩。在图6A中还可看出，反射镜结构60被定位成，使得它的垂直轴线(或法线)74被等间距的布置在磁芯臂82a和82b之间。因此，随着芯臂82a和82b被开关以连续交替地提供北极和南极，和永磁体72的磁交互作用将提供这种磁力，其绕着它的旋转轴线70振荡反射镜结构。但是，根据图6B所示的本发明的另一个实施例，扭转铰接结构60c被定位成，使得法线或轴线74更接近于芯臂82a，并进一步远离磁芯臂82b。这种在芯臂的相对位置中的偏移将导致在结构60c上施加不对称磁力，其又会造成有意的横向运动。

【0028】虽然已经详细的描述了本发明及其优点，但应该理解的是，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、替换和替代。

【0029】而且，本申请的范围不应被限制在本说明书中描述的处理过程、机器、产品、物质成分、手段、方法和步骤的具体实施例。因为本领域技术人员根据本发明的公开将很容易意识到，可以根据本发明利用现有的或者以后开发的、执行与本文所述的相应实施例基本相同功能或者达到基本相同结果的处理过程、机器、产品、物质成分、手段、方法和步骤。因此，所附权利要求理应将这样的处理过程、机器、产品、物质成分、手段、方法和步骤包括在它们的范围内。