CN105676447A - 音圈电机驱动型扫描微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种音圈电机驱动型扫描微镜，包括反射镜面，所述反射镜面由音圈驱动电机驱动，所述音圈驱动电机由海尔贝克永磁阵列和通电线圈组成，所述通电线圈在海尔贝克永磁阵列形成的磁场中带动反射镜面运动。在本发明中，海尔贝克永磁阵列具有的“磁单极子”特性能够实现音圈电机的磁自屏蔽功能，减少电机对外部环境的电磁干扰；更重要的是，海尔贝克永磁阵列能够以最少量的磁体实现最强的磁场，从而显著降低扫描微镜驱动装置的质量和体积；再者，通过精确设计永磁阵列还可进一步提高微镜扭转或运动的方向性和精确性，为扫描微镜终端产品的小型化、智能化发展提供无限可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描微镜，具体涉及一种音圈电机驱动型扫描微镜。
背景技术
采用MEMS工艺制造的扫描微镜具有小尺寸、低成本、低功耗等显著的优势，可广泛应用于光学扫描投影显示系统、激光成像雷达、光谱仪、条形码扫描器、共聚焦显微镜、内窥镜等光学仪器。
扫描微镜的驱动方式主要有静电驱动和电磁驱动。其中，静电驱动主要是利用电极之间的电容变化产生静电力，从而驱动微镜绕轴运动。静电驱动微镜又分为平板电容式和梳齿驱动两种类型，相比较而言，梳齿静电驱动微镜可以在相对较小的驱动电压下获得更大的扭转角度，但仍然存在驱动力小、驱动电压高的缺点，并且反射镜周围过多的梳齿电极增加了微镜的转动惯量，使得微镜谐振频率难以进一步提高，限制了微镜的扫描速度。
电磁驱动主要是利用交变电流在磁场中产生磁力从而驱动微镜绕轴运动，或者是通过电磁铁对磁极的吸引力或排斥力来实现驱动微镜绕轴运动的目的。与静电驱动相比，电磁驱动具有驱动力大、电磁转换效率高、双向驱动等优点，并且使用磁场力作为驱动力，驱动结构无需与被驱动结构直接连接，避免了位移限制，但电磁驱动方式的MEMS扫描微镜需要工作在外部磁场环境下，需要采用装配集成技术，增加了系统加工制造的难度。
为了中和静电驱动和电磁驱动优缺点，美国maradin公司在US20100020379A1专利中发明了一种电磁-静电混合驱动二维扫描微镜，利用静电梳齿产生的静电力驱动内镜面，用U型通电螺线管驱动固定在框架梁结构上的永磁铁，带动框架扭转，来实现微镜在二维方向上的反射扫描，但在此扫描镜中需要将磁性材料装配固定在微镜框架扭转梁上，其生产工艺与IC工艺不兼容。为了解决上述问题，西北工业大学在申请公布号为CN104765144A的专利中公开了一种动静梳齿的静电驱动并采用刻蚀、剥离、电镀等工艺手段在微镜周边制得电磁驱动所用线圈。在上述现有技术中存在的问题在于，扫描微镜电磁驱动所采用的永磁体或电磁铁需要在外部设置磁屏蔽防护层，以放置外界环境对驱动装置以及驱动装置对外界环境造成的电磁干扰；另外，永磁体和电磁铁的质量和体积较大，导致装配后终端产品体积无法进一步缩小，限制扫描微镜向小型化、智能化的方向发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的音圈电机驱动型扫描微镜，对传统电磁驱动结构及功能进行了突破性的改进，显著降低磁体体积并提高扫描微镜扭转的方向性和精确性。
本发明采用的技术方案为：一种音圈电机驱动型扫描微镜，包括反射镜面，所述反射镜面由音圈驱动电机驱动，所述音圈驱动电机由海尔贝克永磁阵列和通电线圈组成，所述通电线圈在海尔贝克永磁阵列形成的磁场中带动反射镜面运动。
优选地，所述海尔贝克永磁阵列是直线阵列，所述直线阵列可提供反射镜面绕X轴和/或Y轴扭转的驱动力矩。
优选地，所述直线阵列磁体结构为每极2块、每极3块或每极4块。
优选地，所述海尔贝克永磁阵列是环形阵列，所述环形阵列可提供反射镜面绕X轴和/或Y轴扭转的驱动力矩，或者是提供反射镜面沿Z轴方向上下移动的驱动力矩。
优选地，所述反射镜面为方形或圆形。
优选地，所述通电线圈为方形或圆形。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明开拓性地将海尔贝克永磁阵列应用至音圈电机中，利用海尔贝克永磁阵列的“磁单极子”特性使其在反射镜面空间中产生磁场，并通过通电线圈实现对反射镜面的电磁驱动。在本发明中，海尔贝克永磁阵列具有的“磁单极子”特性，能够实现音圈电机的磁自屏蔽功能，显著减少音圈电机对外部环境的电磁干扰；更重要的是，海尔贝克永磁阵列能够以最少量的磁体实现最强的磁场，从而显著降低扫描微镜驱动装置的质量和体积；再者，通过精确设计永磁阵列还可进一步提高微镜扭转的方向性和精确性，为扫描微镜终端产品的小型化、智能化发展提供无限可能。
附图说明
图1是现有技术1的结构示意图；
图2是现有技术2的结构示意图
图3是本发明音圈驱动型扫描微镜立体结构示意图1；
图4是图3中反射镜面俯视结构示意图；
图5（a）是本发明实施例提供的海尔贝克永磁阵列排列方式一；
图5（b）是本发明实施例提供的海尔贝克永磁阵列排列方式二；
图5（c）是本发明实施例提供的海尔贝克永磁阵列排列方式三；
图6是本发明音圈驱动型扫描微镜立体结构示意图2；
图7是图6中反射镜面俯视结构示意图；
图8（a）是本发明实施例提供的海尔贝克永磁阵列排列方式四；
图8（b）是本发明实施例提供的海尔贝克永磁阵列排列方式五；
图8（c）是本发明实施例提供的海尔贝克永磁阵列排列方式六。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1：参见图3和图4，一种音圈电机驱动型扫描微镜，包括反射镜面10，所述反射镜面10由音圈驱动电机驱动，所述音圈驱动电机由海尔贝克永磁阵列20和通电线圈11组成，所述通电线圈11在海尔贝克永磁阵列20形成的磁场中带动反射镜面10运动。
在本实施例中，所述反射镜面10通过Y轴桥臂12、X轴桥臂13和X轴桥臂支架14来实现二维方向的扭转，所述通电线圈11分别设置在反射镜面10和X轴桥臂支架14上，具体可以设置在反射镜面的正面或者背面以及X桥臂支架的正面或者背面上，从而带动反射镜面绕轴扭转，所述反射镜面10、通电线圈11、Y轴桥臂12、X轴桥臂13和X轴桥臂支架14和通电线圈电路接入点15均采用IC工艺在硅晶圆片100上加工制成。
具体地，所述海尔贝克永磁阵列20可以为直线阵列组成的方形阵列，其中，永磁体的排列有多种方式，按照构成每极的块数不同可以为每极2块（90°）、每极3块（60°）或者是每极4块（45°），分别如图5（a）、5（b）和5（c）所示。采用上述排列方式的海尔贝克永磁阵列能够在反射镜面空间上产生较强的横向磁场，而在另一侧上的磁场几乎为零，再通过电路连接点15向通电线圈11中导入电流，即可提供反射镜面绕Y轴和/或X轴的驱动力矩，通过Y轴桥臂12和X轴桥臂13带动反射镜面10单独绕Y轴扭转、单独绕X轴扭转或者同时绕X、Y轴混合方向的扭转，应用至激光扫描投影设备中即可实现矩形扫描图像的显示。
实施例2：参见图6和图7，其他部分与实施例1相同，区别在于：所述反射镜面10为圆形，通电线圈11的形状为环形，而海尔贝克永磁阵列则为环形阵列。
这里，所述环形阵列中磁极的排列方式有多种，不同的排列方式可以在反射镜面空间形成不同方向的磁场。
示例的，可以是如图8（a）中示出的磁极排列方式，能够在反射镜面空间上形成单一方向的横向磁场，此种类型排列方式与实施例1中直线阵列形成的磁场方向类似，可提供反射镜面绕X轴和/或Y轴扭转的驱动力矩；
或者，如图8（b）中示出的磁极排列方式，可在反射镜面空间上形成4个方向的横向磁场；又或者是如图8（c）中示出的磁极排列方式，可在反射镜面空间上形成6个方向的横向磁场，图（b）和图（c）中示出的排列方式与前述方式有所不同，通过改变通电线圈中通入的电流方向，所述海尔贝克永磁阵列可提供反射镜面11沿Z轴方向上、下运动的驱动力，结合位置传感器即可实现扫描微镜位置偏移的动态调节。
在本发明中，海尔贝克永磁阵列磁体的形状、个数、磁极和排列方式决定了反射镜面扭转或运动的方向性和精确性，而海尔贝克永磁阵列磁体的形状、个数、磁极和排列方式有多种选择，并不局限于上述实施例中所提供的实施方式。另外，在上述实施例中，以反射镜面和通电线圈为圆形或方形为例进行阐述，但反射镜面和通电线圈的形状不局限于此，本发明不做限定。
本发明提供了一种新型的音圈电机驱动型扫描微镜，对传统扫描微镜电磁驱动结构和功能进行了突破性的改进，将海尔贝克永磁阵列应用至音圈电机中，利用海尔贝克永磁阵列的“磁单极子”特性使其在扫描微镜空间中产生磁场，并通过通电线圈实现对扫描微镜的电磁驱动。在本发明中，海尔贝克永磁阵列具有的“磁单极子”特性能够实现音圈电机的磁自屏蔽功能，有效减少音圈电机对外部环境的电磁干扰；更为重要的是，海尔贝克永磁阵列能够以最少量的磁体实现最强的磁场，从而显著降低扫描微镜驱动装置的质量和体积；再者，通过精确设计永磁阵列的磁极和排列方式还可以进一步提高微镜扭转的方向性和精确性，为扫描微镜终端产品的小型化、智能化发展提供无限可能。
需要说明的是，本发明所有附图是上述音圈电机驱动型扫描微镜的简略示意图，只为清楚描述本方案体现了与发明点相关的结构，对于其他的与发明点无关的结构是现有结构，在附图中并未体现或只体现部分。
总之，以上仅为本发明较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神范围之内，对本发明所做的等同变换或修改均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种音圈电机驱动型扫描微镜，包括反射镜面，其特征在于：所述反射镜面由音圈驱动电机驱动，所述音圈驱动电机由海尔贝克永磁阵列和通电线圈组成，所述通电线圈在海尔贝克永磁阵列形成的磁场中带动反射镜面运动。
2.根据权利要求1所述的一种音圈电机驱动型扫描微镜，其特征在于：所述海尔贝克永磁阵列是直线阵列，所述直线阵列可提供反射镜面绕X轴和/或Y轴扭转的驱动力矩。
3.根据权利要求2所述的一种音圈电机驱动型扫描微镜，其特征在于：所述直线阵列磁体结构为每极2块、每极3块或每极4块。
4.根据权利要求1所述的一种音圈电机驱动型扫描微镜，其特征在于：所述海尔贝克永磁阵列是环形阵列，所述环形阵列可提供反射镜面绕X轴和/或Y轴扭转的驱动力矩，或者是提供反射镜面沿Z轴方向上下移动的驱动力矩。
5.根据权利要求1至4所述的一种音圈电机驱动型扫描微镜，其特征在于：所述反射镜面为方形或圆形。
6.根据权利要求1至4所述的一种音圈电机驱动型扫描微镜，其特征在于：所述通电线圈为方形或圆形。
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