BRPI0801780B1 - Scanner ressonante planar com atuação indutiva fortemente acoplada - Google Patents

Abstract

scanner ressonante planar com atuação indutiva fortemente acoplada. o objeto da presente invenção compreende uma base plana de material com boas propriedades mecânicas que é suspensa por barras de torção (2) ancoradas em um quadro (4) do mesmo material, e que formam uma única peça. esta base possui um espelho (3), para reflexão do feixe luminoso e uma perfuração (1), que delimita uma espira condutiva e que é atravessada por um circuito ferromagnético (7). o conjunto formado pelo espelho (3) e espira recebe o nome de rotor (1) ou armadura (9) e é movimentado por meio de forças eletromagnéticas de lorentz. tais forças são geradas pela interação entre uma corrente elétrica induzida na espira por um campo magnético alternado que percorre o circuito ferromagnético e um campo magnético continuo e paralelo à espira, gerado por um conjunto de ímãs fixos (8). o circuito ferromagnético (7) confina o fluxo magnético de excitação e faz com que a maior parte desse fluxo passe pela espira do rotor (1), maximizando a corrente induzida, o que é chamado aqui de acoplamento forte. a contraposição entre o torque induzido na bobina (6) e o torque restaurador, devido à força de mola das barras de torção (2), produz o movimento oscilante do rotor (1). excitando-se o dispositivo em sua freqúência de ressonância mecânica, tem-se a máxima amplitude de deflexão do rotor (1). o movimento oscilante do espelho (3) é utilizado para posicionamento preciso e repetitivo de um feixe laser em um anteparo que pode ser: uma amostra biológica, um conjunto de lentes, a retina humana, uma superfície foto-sensível, um padrão impresso de barras, ou qualquer outro de acordo com a aplicação. dentre as aplicações que utilizam a movimentação precisa de um feixe luminoso colimado, podem ser destacadas algumas que já utilizam scanners similares a este invento, tais como: alguns tipos de leitores de código de barras, microscópios confocais, displays retinais (que projetam imagens na retina humana), projetores de imagens, equipamentos médico-hospitalares, phototypesetters, dentre outras. outras aplicações que não utilizam scanners planares, como as impressoras laser, poderiam ter um ganho de desempenho e custo, se utilizassem dispositivos ressonantes planares com atuação indutiva fortemente acoplada.

Description

(54) Título: SCANNER RESSONANTE PLANAR COM ATUAÇÃO INDUTIVA FORTEMENTE ACOPLADA (51) Int.CI.: G02B 26/10; G02F 1/29 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP (72) Inventor(es): LUIZ CLÁUDIO MARANGONI DE OLIVEIRA; LUIZ OTÁVIO SARAIVA FERREIRA (85) Data do Início da Fase Nacional: 12/02/2008

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “SCANNER RESSONANTE PLANAR COM ATUAÇÃO INDUTIVA FORTEMENTE ACOPLADA”

CAMPO TÉCNICO

Scanners são dispositivos utilizados para controle preciso e eficiente da direção de propagação de um feixe luminoso, em geral laser, empregados em equipamentos ópticos diversos. Os mesmos podem ser encontrados em equipamentos amplamente difundidos, como impressoras a laser ou leitores de código de barras de supermercados, ou ainda em equipamentos altamente sofisticados, como microscópios confocais, utilizados para inspeção e medição tridimensional de amostras biológicas e industriais, ou displays retinais, utilizados como equipamentos militares para auxílio à visão de soldados.

A direção de propagação de um feixe luminoso pode ser alterada de diversas maneiras, sendo a reflexão da luz por uma ou mais superfícies espelhadas, a mais utilizada.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Grande parte dos scanners utilizados atualmente são dispositivos eletromecânicos compostos por duas partes principais: os espelhos, que devem refletir o feixe luminoso; e o mecanismo de atuação, que deve movimentar estes espelhos para posicionamento do feixe luminoso.

Os scanners poligonais, também chamados de espelhos rotativos, posicionam o feixe luminoso através da rotação de um polígono espelhado acoplado ao eixo de um motor que gira com velocidade uniforme. O feixe refletido possui movimento uniforme e um único sentido de deflexão. Tais dispositivos foram os primeiros a serem desenvolvidos e possuem como vantagem os elevados ângulos de deflexão obtidos. Seus pontos fracos são o elevado consumo de potência e volume ocupado, impossibilidade de posicionamento aleatório do feixe, complexidade mecânica, e impossibilidade de fabricação em lotes, o que faz com que seu custo seja relativamente alto.

O scanner galvanométrico, também conhecido como “galvo”, foi inicialmente desenvolvido para aplicações gráficas, que se caracterizam pela necessidade de posicionamento aleatório do feixe luminoso. Este tipo de dispositivo utiliza um motor com movimento limitado do eixo para posicionamento de um único espelho que deve refletir o feixe luminoso. Um movimento oscilante do feixe luminoso surge da interação entre a força de excitação, gerada pelo motor, e a força restauradora, produzida por uma suspensão elástica, e que se contrapõe à força excitadora do motor, formando um sistema eletromecânico de segunda ordem. Este tipo de scanner pode operar na freqüência de ressonância mecânica da estrutura, sendo chamado scanner ressonante, ou num intervalo de ffeqüências abaixo de sua freqüência de ressonância. O dispositivo ressonante apresenta elevada rigidez, pequena inércia do rotor e, beneficiando-se do fenômeno da ressonância, apresenta elevados ângulos de deflexão a partir de um pequeno torque. Já os dispositivos não ressonantes necessitam elevados torques para que elevados ângulos de deflexão sejam obtidos. Como conseqüência o seu consumo de potência é maior que dos dispositivos ressonantes. As vantagens dos dispositivos não-ressonantes são: a possibilidade de posicionamento aleatório com elevado ângulo de deflexão do feixe luminoso e sua operação em um intervalo amplo de frequências. O elevado consumo de potência e volume ocupado, as baixas frequências de operação, sua complexidade mecânica e a impossibilidade de fabricação em lotes são as principais desvantagens deste dispositivo em relação ao dispositivo da presente invenção.

Com o desenvolvimento dos sistemas micromecânicos ou MEMS (Microelectromechanical Systems), surgiu a possibilidade de desenvolvimento de máquinas elétricas utilizando as técnicas de fabricação em lotes até então utilizadas na indústria eletrônica. O primeiro scanner micromecânico foi proposto por Petersen em 1980 (Petersen, K. E., ” Silicon Torsional Scanning Mirror”, IBM

J. Res. Develop., 1980, 24, 631-637). Usinado quimicamente em silício, o espelho com 2,5 mm de comprimento por 2,5 mm de largura, era movimentado pela ação de forças eletrostáticas. A baixa eficiência do acionamento eletrostático para dispositivos da ordem de milímetros proporcionou ângulos de deflexão de menos de 1° pico-a-pico na ressonância, com tensões de acionamento próximas a 400V. Embora não tenha sido utilizado industrialmente, o scanner eletrostático de Petersen, demonstrou a viabilidade de fabricação de scanners utilizando a mesma tecnologia planar de fabricação utilizada na microeletrônica.

Como desdobramento desta tecnologia, surgiram nos anos 90 os scanners micromecânicos acionados por forças eletromagnéticas, ou microscanners galvanométricos(Ferrez'ra, L. O. S., “Microscanner de Silício”, tese de doutorado apresentada na Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da

UNICAMP, Campinas, SP, 1994) (ferreira, l.o.s (Autor); MOEHLECKE, S. (Autor); Dispositivo microdefletor de luz galvanométrico., 03/2001. Patente de Invenção (No. Patente: PI9500860-8). Patente Unicamp. Data Pedido ou Depósito: 21/02/1995 (Data de concessão patente: 20/03/2001). . Órgão de registro:

inpi, brasil). Em dispositivos da ordem de alguns milímetros, como os microscanners, o acionamento eletromagnético é mais eficiente que o eletrostático. Entretanto, devem ser adicionados ímãs externos ao sistema para que sejam produzidas forças eletromagnéticas capazes de movimentar o espelho, o que pode ser feito através do projeto adequado do empacotamento do dispositivo. Os microscanners galvanométricos utilizam o mesmo princípio dos scanners galvanométricos: o movimento oscilante devido à contraposição entre uma força excitadora e uma força restauradora, num sistema de segunda ordem. Nos microscanners, a força excitadora é produzida pela interação entre um campo magnético externo, produzido por ímãs, e uma corrente elétrica injetada numa armadura gravada na mesma base que contém o espelho, e que é suspensa por uma ou mais barras de torção, responsáveis pela geração das forças restauradoras. Os microscanners operam na freqüência de ressonância mecânica da estrutura para que ângulos de deflexão suficientemente grandes sejam atingidos.

Como vantagens destes dispositivos destacam-se: o volume reduzido, o baixo consumo de potência, a possibilidade de fabricação em lotes utilizando processos derivados da microeletrônica, as frequências de operação maiores que seus similares de grande porte com ângulos de deflexão compatíveis. A presença de trilhas sobre as barras de torção do scanner torna este dispositivo sujeito à falhas pelo efeito de fadiga das trilhas. Outra desvantagem é a necessidade de gravação e posterior soldagem de uma bobina sobre a base que forma o rotor, o que adiciona, pelo menos, duas etapas ao processo de fabricação planar. Outro ponto negativo é a baixa resistência do dispositivo aos impactos, devido à utilização do Silício como material estrutural.

Para resolver o problema de fadiga das trilhas sobre as barras de torção e simplificar o processo de fabricação, foram desenvolvidos, no final dos anos 90, os microscanners acionados por indução, ou microscanners indutivos (ferreira, l.o.s (Coordenador); Induction Microscanner, 09/2001. Outros (No. Patente: 6285485B1). O registro não foi feito pela Unicamp. Data Pedido ou Depósito: 01/01/1998 (Data de concessão patente: 01/09/2001). . estados unidos da America.). O movimento do espelho nestes dispositivos ocorre pelo mesmo princípio dos dispositivos galvanométricos: a contraposição entre uma força excitadora, produzida pelo circuito de atuação, e uma força restauradora ocasionada pelas barras de torção. A força excitadora surge da interação entre uma corrente elétrica induzida na armadura por um campo eletromagnético variante no tempo e um campo eletromagnético invariante e paralelo à armadura produzido por ímãs fixos. As forças eletromagnéticas induzidas recebem o nome de forças de Lorentz. Os scanners indutivos são estruturalmente mais simples que os galvanométricos pelo fato da bobina que compõe a armadura não precisar ser alimentada por uma corrente externa. Com isso elimina-se a necessidade das trilhas sobre as barras de torção, e conseqüentemente o problema associado de fadiga das trilhas. Entretanto, surge a necessidade de produzir um campo magnético variante no tempo e perpendicular à bobina da armadura. O que demanda um circuito ferromagnético externo ao dispositivo. A intensidade das forças de Lorentz induzidas será diretamente proporcional ao acoplamento deste campo magnético alternado com a bobina da armadura. Nos primeiros dispositivos indutivos fabricados este acoplamento era feito pelo ar, de forma que ocorria o espalhamento do campo, e somente pequena parte era utilizada para produzir as forças de Lorentz. Com isso, foram atingidos ângulos de deflexão típicos na ressonância de 18° pico-a-pico para uma ffeqüência de 1311Hz, com uma potência de acionamento de cerca de 40W (Barbaroto, P. R. “Projeto, Microfabricação e Caracterização de Defletor de Luz de Silício Acionado por

Indução ”, dissertação de mestrado apresentada na Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da UNICAMP, Campinas, SP, 2002). O elevadíssimo consumo de potência deve-se ao acoplamento ineficiente entre o campo excitador e a armadura. Por esta característica, tais dispositivos foram chamados scanners indutivos fracamente acoplados.

A presente invenção visa sanar o problema do fraco acoplamento entre o campo magnético excitador e a bobina da armadura. A geometria do rotor foi alterada pela adição de uma perfuração que deve ser atravessada pelo circuito ferromagnético. Por este mecanismo, a maior parte do campo alternado excitador é confinado no circuito magnético e atravessa a bobina da armadura, o que faz com que as forças de Lorentz geradas sejam maximizadas. Tal mecanismo recebeu o nome de acoplamento forte e é similar ao mecanismo desenvolvido por Montagu em 1985 (Montagu, J., “Resonant actuator for optical scanning Patente no. US4502752, USA, 1985), com a diferença que no objeto da presente invenção o scanner é totalmente planar, enquanto que no invento de Montagu a bobina da armadura é perpendicular ao espelho em uma complexa estrutura tridimensional. No presente invento além do Silício, até então usado como material estrutural nos microscanners, foram utilizados metais como, por exemplo, o bronze-fosforoso, ou materiais poliméricos. O dispositivo de metal tomou desnecessária a adição da bobina da armadura ao scanner, que era feita em uma etapa adicional de fabricação, sendo fabricado em um único processo de usinagem química. No caso do metal ter boas propriedades elétricas, a bobina armadura é feita do próprio material estrutural. Numa etapa posterior é feita a colagem do espelho na superfície do rotor.

O dispositivo de polímero pode ser feito, por exemplo, de fenolite, polimida ou qualquer outro material com boas propriedades mecânicas. O polímero pode ser usinado ou conformado na geometria adequada, após o que deverá receber a espira condutora (caso o polímero não tenha a condutividade adequada) e o espelho.

Com estas providências conseguiu-se um dispositivo com baixo custo,' planar, que pode ser fabricado em lotess e com freqüência de operação quatro vezes maior e com o dobro de ângulo de deflexão dos dispositivos galvanométricos e indutivos similares. O problema de baixa resistência aos impactos também foi bastante minimizado pela escolha do material estrutural.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O objeto da presente invenção consiste em um scanner ressonante planar com atuação indutiva fortemente acoplada, que é um dispositivo composto por uma base planar suspensa por barras de torção (2) ancoradas em um suporte do mesmo material e que formam uma única peça. A base planar ou rotor (1) possui um espelho (3), uma espira e uma perfuração por onde passa o circuito magnético fabricado, por exemplo, em ferrite, que confina o campo magnético de excitação e faz com que a maior parte do fluxo magnético atravesse a bobina (6), maximizando as forças de Lorentz que atuam no rotor (1). O scanner deve operar na freqüência de ressonância mecânica da estrutura. O dispositivo possibilita a obtenção de ângulos de deflexão típicos de 20° picoa-pico na ressonância e ffeqüências de operação de 4kHz ou superiores. A ausência de trilhas de alimentação sobre as barras de torção (2) e a geometria planar permitem sua fabricação em lotes e a utilização de materiais e processos de fabricação de baixo custo.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A figura 1 ilustra um scanner indutivo planar em bronzefosforoso;

A figura 2 ilustra o forte acoplamento entre bobina da armadura (9) e de atuação (6);

A figura 3 apresenta um modelo eletromecânico do scanner;

A figura 4 apresenta uma simulação por elementos finitos do modo de vibração torsional;

A figura 5 ilustra um lote de scanners fabricados em bronzefosforoso por usinagem química;

A figura 6 ilustra o scanner ressonante planar fortemente acoplado montado com superfície refletiva de Si (10);

A figura 7 apresenta uma resposta em freqüência do dispositivo, mostrando um ângulo de deflexão óptico de 21.7° em ίο

3677 Hz, onde o scanner foi excitado com uma tensão senoidal de

13Vpp;

A figura 8 mostra um scanner com três rotores (1’, 1” e l”’);e

A figura 9 ilustra um scanner indutivo planar com movimento nas direções X (2’, 7’ e 9’) e Y.(2”, 7” e 9”).

A figura 10 demonstra dois dispositivos planares e fortemente acoplados, sendo que o da esquerda possui apenas um rotor, e o da direita possui dois rotores, estando a bobina da armadura num rotor e o espelho no outro rotor.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Os scanners ópticos são utilizados para controlar a direção de propagação de um feixe luminoso. São utilizados em impressoras a laser, microscópios ópticos, leitores de código de barra, projetores de imagens, entre outras aplicações. A maior parte dos scanners ópticos é composta por uma superfície refletora que se movimenta e deflete o feixe luminoso.

O scanner ressonante planar com atuação indutiva fortemente acoplada é composto pelo rotor (1), sistema de suspensão e quadro de fixação (4), fabricados em uma peça única, e um estator (7). O conjunto completo é acondicionado em um suporte responsável pelo alinhamento da montagem e pela fixação de um conector elétrico. O dispositivo, fabricado para operação em 3677Hz e ângulo de deflexão óptico de 21,7° pp, possui dimensões típicas de 40mm x 20mm x 20 mm.

A peça única que contém o rotor (1), a suspensão e o quadro de fixação (4) é mostrada na FIGURA 1. O rotor (1) é suspenso por duas barras de torção (2) e é composta por duas partes isoladas por uma terceira barra de torção (2), num sistema chamado de duplo rotor. Neste sistema são isolados o espelho (3), responsável pela deflexão da luz, e a bobina da armadura (9), onde são geradas as forças de Lorentz que movimentam o conjunto. A separação de funções permite o projeto mais otimizado destes componentes.

A bobina da armadura (9) é formada por uma única espira curto-circuitada, delimitada pela geometria do dispositivo e em mesmo material, com uma perfuração central que permite a passagem do estator ferromagnético (7) para que ocorra o acoplamento forte. O estator (7) é composto por um circuito ferromagnético fabricado com núcleos pré-moldados de ferrite no formato E-I, na qual é enrolada uma bobina com cerca de 200 espiras, chamada bobina de atuação (6). Na FIGURA 2 o estator (7) utilizado para acionamento do scanner fortemente acoplado é ilustrado. O campo magnético gerado na bobina de atuação (6) pela aplicação de uma tensão alternada típica de 10V é confinado no circuito ferromagnético e sua maior parte atravessa a bobina da armadura (9) perpendicularmente. A corrente induzida na armadura (9) deve interagir com um campo magnético contínuo gerado por um ou mais pares de ímãs permanentes (8), por exemplo de NeFeB, que são fixados no estator (7) de forma a gerar um campo paralelo à superfície da bobina, FIGURA 2. O confinamento do campo magnético de excitação em um circuito ferromagnético que atravessa perpendicularmente a bobina da armadura (9) e maximiza a tensão induzida na armadura (9) é chamado de acoplamento forte. O torque induzido na armadura (9) pelas forças de Lorentz se contrapõe ao torque restaurador gerado pelas barras de torção (2), formando um sistema de segunda ordem.

A excitação do dispositivo com uma tensão AC na frequência de um dos modos mecânicos torsionais de vibração do rotor (1) faz com que a oscilação no sistema seja maximizada pelo efeito da ressonância. O invento é projetado de forma que a frequência de operação desejada seja a frequência de um dos modos mecânicos torsionais de vibração da estrutura. O modelo eletromecânico do dispositivo é mostrado na FIGURA 3. Este modelo contempla as características elétricas e mecânicas do dispositivo e prevê que a amplitude de deflexão do dispositivo será dada pela Equação 1, mostrada abaixo:

a n, ra; í~ _ dtípoMvo - L £?□cún OiD £□

Equação 1 - Amplitude de deflexão do dispositivo em função da freqüência de operação. B_DC é o campo magnético gerado pelos ímãs permanentes (8), A é a área da bobina da armadura (9) perpendicular ao campo AC, N_e é o número de espiras da bobina de excitação, J_m2 é o momento de inércia do espelho (3), Ve é a tensão de excitação, e A, B, C, D e E são constantes mecânicas do modelo.

Os modos de vibração do dispositivo são previstos por um modelo estrutural por elementos finitos, mostrado na FIGURA 4. Por este modelo consegue-se prever os modos de vibração torsionais e fletores da estrutura e consegue-se alterar sua geometria de modo que os modos torsionais ocorram na freqüência de operação desejada para o scanner.

A peça inteiriça que contém o rotor (1), suspensão e quadro de fixação (4), FIGURA 1, é fabricada em bronze-fosforoso, podendo também ser fabricada de Si, polímero, compósitos e outros materiais não-ferrosos com boas propriedades mecânicas. A fabricação desta parte com materiais bons condutores, como o Bronze-fosforoso, simplifica o processo pela eliminação da necessidade de adição da bobina da armadura (9) por um processo adicional de deposição química ou adesão. Esta peça possui dimensões de 34mm x 24mm e espessura de 0.7mm e foi fabricada através de usinagem química do bronze-fosforoso. A FIGURA 5 mostra um lote destas peças fabricadas por usinagem química. Outros processos, como o corte a Laser, poderiam ser utilizados para fabricação destas peças, entretanto o processo de usinagem química elimina a necessidade de um tratamento térmico posterior da estrutura para remoção da tensão residual resultante do corte a Laser, por exemplo. Um espelho de alumínio (3) depositado sobre uma lamínula de vidro foi colado no rotor (1) da estrutura. O estator (7) é formado por um núcleo de ferrite de tamanho padronizado do tipo E-I cujo braço central possui área de 5mm x 5mm. Neste braço foi posicionada a bobina de excitação, enrolada em um suporte padrão para o núcleo de ferrite e com 200 voltas de fio de cobre 24 AWG. O estator (7) foi posicionado e fixado através de parafusos M4 no interior de um suporte fabricado em acrílico, com dimensões de 40mm x 20mm x 20mm. A peça em bronze-fosforoso é posicionada de maneira que a bobina da armadura (9) seja atravessada pelo braço central do núcleo E-I de ferrite, e é fixada no suporte de acrílico com parafusos M3. Fez-se o alinhamento fino do núcleo de ferrite em relação à armadura (9) e fixou-se a montagem através dos parafusos M4. Neste ponto os ímãs permanentes (8) de NeFeB foram posicionados e fixados através da própria atração magnética sobre o núcleo de ferrite de maneira que o campo gerado fosse paralelo à armadura (9). A montagem foi concluída pelo posicionamento da componente I do núcleo de ferrite, que foi posicionado e fixado através de atração magnética, e pela soldagem dos fios da bobina de excitação em um conector DB9 que foi fixado no suporte do scanner. A FIGURA 6 mostra o dispositivo montado. A FIGURA 7 mostra as curvas de resposta em freqüência para o dispositivo fabricado onde pode ser verificada a ocorrência de um ângulo de deflexão óptico de 21,7° pp na freqüência de operação de 3677 Hz.

A peça monolítica que forma o dispositivo poderia ser feita de outro material com boas propriedades mecânicas como o Si, ou qualquer outro material que não fosse ferromagnético. Para dispositivos feitos de materiais maus condutores de eletricidade, como o Si, fenolite ou poliamida, seria necessário um processo adicional de deposição de alumínio ou outro metal para formação da bobina da armadura (9). No caso do Si, a fabricação seria através de usinagem química. A utilização de lâminas de Si polidas em ambas as faces (DSP - Double Side Polished), tomaria desnecessária a etapa de colagem do espelho (3), uma vez que o próprio Si seria o espelho (3). O desempenho do dispositivo poderia ser melhorado se fossem feitas estruturas para alívio de massa do espelho (3) em Si. Tais estruturas poderíam ter a forma de colméia (honeycomb), ou outra qualquer e seriam feitas através de corrosão físico-química do Si.

A estrutura com duplo-rotor poderia ser substituída por uma estrutura com um único rotor, na qual ocorre o máximo acoplamento mecânico entre o movimento da bobina (6) e do espelho (3).

A estrutura do rotor (1) poderia ser feita com 3 ou mais estruturas (triplo-rotor, rotor quádruplo, etc,) que poderíam ter acionamentos separados. Um rotor com o espelho (8) ficaria no centro da estrutura móvel e seria acionado pelo torque resultante da composição dos vários acionamentos, FIGURA 8. Com isso poderíam ser obtidos maiores ângulos de deflexão do espelho (3). Outras formas de onda, que não a senoidal, poderíam ser obtidas a partir da composição das formas de onda do torque gerado por cada atuador.

Para dispositivos feitos de materiais duros, como o bronze25 fosforoso, o espelho (3) poderia ser feito por polimento químico da superfície do material de modo que ela ficasse com qualidade especular. Este processo seria o preferido, pois eliminaria os efeitos do sistema massa-mola formado por um corpo colado a uma superfície móvel.

Dispositivos fabricados em fenolite poderíam incorporar em seu rotor (1) o sistema de detecção de posição formado por fotoemissores e fotoreceptores que seriam soldados em trilhas de circuito impresso previamente estabelecidas no material. Da mesma forma, poderiam ser incorporados os circuitos eletrônicos para controle e acionamento do scanner.

O circuito ferromagnético (7) de acionamento poderia ser do tipo U-I, que reduziría o volume do dispositivo e a sua relutância magnética, o que aumentaria o rendimento do dispositivo.

Um dispositivo que defletisse o feixe nas direções X e Y poderia ser criado se dois atuadores fossem conectados perpendicularmente, conforme mostrado na FIGURA 9. O scanner indutivo bidirecional teria uma armadura (9’) e um espelho rotor (3) que realizaria o movimento na direção X e o quadro de suporte deste dispositivo seria suspenso por um segundo conjunto de banas de torção (2”) sujeito a um torque na direção Y, gerado na bobina da armadura (9) de um segundo rotor. A composição dos movimentos permitiría a deflexão do feixe nas direções X e Y. A atuação na direção Y poderia ser, por exemplo, indutiva fortemente ou fracamente acoplada, eletrostática, galvanométrica, piezoelétrica, ou qualquer outra que produzisse um torque suficiente para torcionar a estrutura.

Claims (16)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Scanner ressonante planar com atuação indutiva fortemente acoplada, CARACTERIZADO pelo fato de ser composto por um rotor (1), base planar suspensa por barras de

   5 torção (2), um sistema de suspensão e um quadro de fixação (4), fabricados em peça única, e um estator ferromagnético (7), acondicionados em um suporte responsável pelo alinhamento da montagem e pela fixação de um conector elétrico, em que o dito rotor (1) é suspenso por duas barras de torção (2) e é composto

   10 por uma terceira barra de torção (2), num sistema chamado de duplo rotor, onde são isolados o espelho (3) e a bobina da armadura (9).
2. 2. Scanner, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a bobina é formada por

   15 uma única espira curto-circuitada, delimitada pela geometria do dispositivo e em mesmo material, com uma perfuração central que permite a passagem do estator ferromagnético (7).
3. 3. Scanner, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o estator é composto por

   20 um circuito magnético fabricado com núcleos pré-moldados de ferrite no formato E-I, na qual é enrolada uma bobina com cerca de 200 espiras, chamada de bobina de atuação (6).
4. 4. Scanner, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a corrente induzida na

   25 armadura deve interagir com um campo magnético contínuo gerado por um ou mais pares de ímãs permanentes (8) que são

   Petição 870180053321, de 21/06/2018, pág. 4/10 fixados no estator (7) de forma a gerar um campo paralelo à superfície da bobina.
5. 5. Scanner, de acordo com a reivindicação 4,

   CARACTERIZADO pelo fato de os ímãs (8) são de NeFeB.

   5
6. 6. Scanner, de acordo com as reivindicações 1 a 5,

   CARACTERIZADO pelo fato de operar na freqüência de um dos modos mecânicos torcionais de vibração da estrutura, que são previstos por um modelo estrutural por elementos finitos.
7. 7. Scanner, de acordo com a reivindicação 1, 10 CARACTERIZADO pelo fato da peça inteiriça contendo o rotor (1), suspensão e quadro de fixação (4), ser fabricada em bronzefósforo.
8. 8. Scanner, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que para tal peça, o espelho

   15 (3) é feito por polimento químico da superfície do material.
9. 9. Scanner, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da peça inteiriça contendo o rotor (1), suspensão e quadro de fixação (4), ser fabricada alternativamente de Si, polímero compósitos e outros materiais

   20 não-ferrosos com boas propriedades mecânicas.
10. 10. Scanner, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da peça apresentar dimensões de 34 mm x 24 mm e espessura de 0,7 mm.
11. 11. Scanner, de acordo com as reivindicações 7 e 9, 25 CARACTERIZADO pelo fato da peça ser fabricada através de usinagem química do material.

    Petição 870180053321, de 21/06/2018, pág. 5/10
12. 12. Scanner, de acordo com a reivindicação 1,

    CARACTERIZADO pelo fato de que a estrutura com duplorotor (1) pode alternativamente ser substituída por uma estrutura com um único rotor (1).

    5
13. 13. Scanner, de acordo com a reivindicação 1,

    CARACTERIZADO pelo fato de que a estrutura do rotor (1) pode alternativamente ser feita com 3 ou mais estruturas, que podem ter acionamentos separados, onde um rotor (1) com o espelho (3) é localizado no centro da estrutura móvel e acionado

    10 pelo torque resultante da composição dos vários acionamentos.
14. 14. Scanner, de acordo com as reivindicações 1 a 13,

    CARACTERIZADO pelo fato de possibilitar a obtenção de ângulos de deflexão típicos de 20° pico-a-pico na ressonância e freqüências de operação de 4 kHz ou superiores.
15. 15 15. Scanner, de acordo com as reivindicações 1 a 13,

    CARACTERIZADO pelo fato de que o modelo eletromagnético do scanner compreenda uma amplitude de deflexão dada pela equação 1:

    _uCO_ (Ms·⁴ + Bs³ +Cs² +Ds + E) em que Bdc é o campo magnético gerado pelos ímãs permanentes
16. 20 (8), A é a área da bobina da armadura (9) perpendicular ao campo

    AC, Ne é o número de espiras da bobina de excitação (6), Jm2 é o momento de inércia do espelho (3), Ve é a tensão de excitação, e A, B, C, D e E são constantes mecânicas do modelo.

    ω=

    Θ.

    dispositivo

    N_eR _a J_m2

    Petição 870180053321, de 21/06/2018, pág. 6/10