CN107924055B - 用于使激光射束转向的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使激光射束转向的装置(1)，所述装置具有镜(2)；具有框架(6)，所述镜(2)与该框架能摆动地连接；具有永磁体(8)，该永磁体与所述镜(2)刚性地连接并且该永磁体的北极和南极限定磁体轴线(9)；并且具有至少一个线圈(10；10’；14；14’)用于将磁性偏转力施加到所述永磁体(8)上，所述至少一个线圈具有卷绕轴线(12；13)，线圈绕组围绕所述卷绕轴线卷绕，其中，所述线圈(10；10’；14；14’)与所述框架(6)刚性地连接，并且所述永磁体(8)布置在所述线圈(10；10’；14；14’)的磁场中，其中，所述磁体轴线(9)和所述线圈(10；10’；14；14’)的所述卷绕轴线(12；13)不平行地走向，其中，沿着垂直于所述镜(2)的摆动轴线(A；B)并且垂直于所述卷绕轴线(12；13)的方向看，所述永磁体(8)的横截面的高度(H)小于或等于线圈横截面的高度(h)的两倍，并且永磁体(8)和线圈(10；10’；14；14’)的横截面至少部分地重叠，其特征在于，所述永磁体(8)相对于关于所述线圈(10；10’；14；14’)居中的位置朝着所述镜(2)的方向错开地布置。

Description

用于使激光射束转向的装置
技术领域
本发明涉及一种用于使激光射束转向的装置，该装置具有：镜；框架，镜可摆动地支承在该框架中；永磁体，该永磁体与镜刚性地连接并且该永磁体的北极和南极限定磁体轴线；和至少一个用于将磁性偏转力施加到永磁体上的线圈，该线圈具有卷绕轴线，线圈绕组围绕该卷绕轴线卷绕，其中，线圈与框架刚性地连接并且永磁体布置在线圈的磁场中，其中，磁体轴线和线圈的卷绕轴线不平行地走向，其中，沿着垂直于镜的摆动轴线并且垂直于卷绕轴线的方向看，永磁体的横截面的高度小于或等于线圈横截面的高度的两倍，并且永磁体和线圈的横截面至少部分地重叠。
背景技术
这种用于使激光射束转向的装置例如由DE 27 18 532 A1已知。在这种已知的转向装置中，沿着垂直于镜的摆动轴线并且垂直于卷绕轴线的方向看，永磁体关于线圈居中布置，并且永磁体的横截面的高度约为线圈横截面的高度的三分之一。
此外，基于MEMS技术的、具有电磁致动器的、用于使激光射束转向的装置例如由Ataman等的J.Micromech.Microeng.23(2013)025002(13页)或由T.Iseki等的OPTICALREVIEW第13版，第4号(2006)189-194页已知。
尤其在用于激光材料加工的组件中用于使激光射束转向的装置应提供关于角速度和角加速度的高动态性能以及关于角度调整和可重复性的高精度。同时，所使用的激光射束功率持续变强并且结构空间越来越小。此处，引人注意的技术提供基于MEMS(微机电系统)的扫描器并且尤其提供基于电磁致动器的装置。
Ataman等描述一种MEMS扫描器，在该MEMS扫描器中，致动器的线圈构造为扁平线圈。
Iseki等描述一种万向悬挂式转向镜，该转向镜的电磁致动器基于永磁体与线圈组件的相互作用。
然而，在这些已知的转向装置中，可达到的角加速度和角速度不够高，以便在用于激光加工的应用中达到经济的加工速度。这尤其在以下情况中适用：加工不仅需要镜的恒定的角速度，而且需要在不同的角速度之间快速变换。激光射束转向的调整和重复精度起决定性地确定加工结果的品质并且由此确定加工工艺的工艺可靠性。在此，已知的概念也不满足针对工业使用的要求。
发明内容
因此，本发明的任务是，如下地扩展开始时提到的类型的装置：提高关于角速度和角加速度的动态性能以及改进关于角度调整和可重复性的精度。
根据本发明，该任务通过以下方式来解决：永磁体相对于关于线圈居中的位置朝着镜的方向错开地布置。
如果电流流经开始时提到的线圈，则该线圈产生磁场
Figure GDA0002943493420000021
该磁场在端面附近具有高场强的区域，在该区域中场线平行于线圈轴线地指向。在远离线圈端面处，场线改变它的方向，并且场强下降。对于转矩
Figure GDA0002943493420000022
(该转矩作用于在均匀磁场中具有磁矩
Figure GDA0002943493420000023
的磁体)，适用：
Figure GDA0002943493420000027
和
Figure GDA0002943493420000024
其中，θ表示这两个向量之间的角度。优选地，永磁体布置在高场强的区域中，使得线圈和永磁体的横截面至少部分地重叠。在此要注意的是，磁体轴线和线圈的卷绕轴线不平行地走向。那么
Figure GDA0002943493420000025
和
Figure GDA0002943493420000026
也不平行并且sinθ≠0。
永磁体例如由SmCo或NdFeB制成。这种材料具有高密度。为了使该装置的可运动部件的惯性矩保持小，使永磁体的体积有利地集中在以下区域上，在该区域中，永磁体的磁矩可以与显著的外部磁场相互作用。这通过以下方式来实现：将永磁体的横截面的高度限制在线圈横截面的高度的两倍内，并且使永磁体如此布置在线圈的磁场中，使得线圈和永磁体的横截面至少部分地重叠。致动装置的高的力或高的转矩能够有助于根据本发明的转向装置的高动态性能。
根据本发明，永磁体相对于关于线圈居中的位置错开地布置。由此减小作用在永磁体上的转矩，因为在永磁体的朝着镜的方向错开的位置中在永磁体上作用有由于不均匀而较小的外部磁场。然而，通过这里不均匀的磁场产生除了转矩之外附加地作用在永磁体上的力分量。根据本发明，永磁体朝着镜的方向错开地布置。由此，与朝着相反方向偏心定位相比惯性矩减少。总体而言得出，在转动轴线上作用到镜上的转矩增大，从而可以达到更高的角速度和角加速度。
优选地，磁体轴线和卷绕轴线相交并且相互围成不同于零的角度。在该情况下，在由磁矩和线圈轴线展开的平面中产生动力，并且由此根据本发明的转向装置具有用于操控的主动特性。特别优选地，所述不同于零的角度为90°。在该特殊情况下，当电流流经线圈时，作用到磁体上的转矩值最大。
优选地，永磁体的横截面的高度在线圈横截面的高度的0.3倍到0.6倍之间。这种配置允许永磁体和至少一个线圈的横截面的尽量大的重叠。
同样优选的是，永磁体的横截面的高度小于线圈横截面的高度。这允许永磁体在高场强区域中的优化定位，而不会减小线圈和永磁体的横截面的重叠。
永磁体和线圈的横截面的重叠影响作用到线圈磁场中的永磁体上的转矩大小。因此，线圈和永磁体的横截面的重叠高度优选大于或等于这两个高度中较小高度的50％。尤其优选地，线圈和永磁体的横截面的重叠高度等于这两个高度中较小高度的100％。
从前述内容中可以看出，永磁体在线圈磁场中的合适定位对于可产生的转矩大小并且由此对于在激光射束转向时可达到的角加速度和角速度是重要的。同样可以看出，在选择永磁体的尺寸时，必须考虑对于该装置的可运动部件的惯性质量的影响。因此优选地，在永磁体与连接元件之间(通过该连接元件将镜可摆动地支承在框架中)布置有由非铁磁性材料制成的间距保持件，通过该间距保持件的长度可以限定永磁体的中点和至少一个线圈的卷绕轴线之间的间距。
优选地，所述装置包括分别具有卷绕轴线的多个线圈。线圈的卷绕轴线例如可以不共线，使得来自不同方向的力可以作用到永磁体上，并且镜可以沿着多于一个方向摆动。优选地，在卷绕轴线上设置具有同向的卷绕方向的至少两个线圈，并且永磁体布置在所述至少两个线圈之间。在该情况下，不仅吸引力而且排斥力可以有助于形成转矩。优选地，所述装置包括两个具有卷绕轴线的线圈，所述卷绕轴线彼此垂直并且垂直于磁体轴线。这种实施方式关于在镜围绕不同的摆动轴线偏转时的简单操控方面是特别有利的。
由电流流经的线圈在永磁体的磁场中所能够施加到该永磁体上的力随着线圈的电感L增大。线圈的电感能够通过以下方式来提高：将铁磁材料的芯装到线圈中。如果将电压施加到线圈上，线圈中的电流由于相反指向的感应电压只逐渐出现，其中，时间常数随着线圈的电感增大。因此，所述至少一个线圈的较高的电感使得用于使激光射束转向的装置对于预给定信号的改变反应更缓慢，并且由此对可达到的转向速度和角加速度产生消极影响。通过引入铁磁的线圈芯所引起的电感提高还导致由于线圈芯在运动的永磁体的可随时间改变的场中重复的交变磁化而产生的附加损耗。此外，铁磁线圈芯显示出对线圈中电流强度改变的非线性响应直至发生滞后。由此，用于使射束转向的装置中的角度调整的精度以及角度调整的重复精度减小。在根据本发明的装置的特别优选的实施方式中，通过永磁体和所述至少一个线圈的尺寸和布置使转矩如此大并且使惯性矩如此小，使得对于所述至少一个线圈设置由非铁磁性材料制成的线圈芯，并且使得所述至少一个线圈的电感如此小，以至于通过以简单的、例如线性的调节器的操控实现足够的精度。
在转向装置运行期间不可避免的功率损耗例如由于所述至少一个线圈的欧姆电阻产生，并且在没有其他措施的情况下导致至少局部的温度提高。这种温度提高在镜准确地并且可重复地偏转的意义上是不期望的。因此，将所产生的功率损耗例如导出至框架是有利的。所述至少一个线圈优选围绕一线圈芯进行卷绕，该线圈芯特别优选由铜合金、铝合金、由铝氧化物或者由铝氮化物制成。这些材料具有非常好的导热特性。通过根据本发明的特征，即磁体轴线和卷绕轴线不平行，使能导电的线圈芯中涡流的产生显著减少，因为作用到线圈芯上的磁场强度明显小于磁场轴线和卷绕轴线平行的情况。由此减小了能导电的线圈芯中的损耗并且改进了转向装置的可操控性，因为涡流的感应如附加的阻尼那样起作用。由铝氧化物和铝氮化物制成的线圈芯尤其是有利的，因为在这些线圈芯中不感应出通过涡流引起的损耗。
为了克服镜在温度提高时的形变，镜优选在两侧设有相同厚度的涂层。特别优选地，涉及金属-电介质混合涂层。
优选地，永磁体比线圈距离镜更近，并且在该永磁体的高度的50％至100％上与线圈的横截面重叠。
本发明也涉及一种组件，该组件具有如上所述的转向装置、用于操控转向装置的调节器和传感器，该传感器用于测量镜的摆动角度并且用于产生用于调节器的输入信号，其中，调节器通过输出信号来调整流经该装置的所述至少一个线圈的电流，并且其中，输出信号通过系统的额定值和传递函数来确定。根据本发明的装置的优选实施方案示出充分近似线性的特征线，即镜的摆动角度与预给定信号的值充分近似线性地彼此相关。此时，可以通过根据本发明的、具有简单的调节器的组件来满足现代激光加工的要求，该调节器基于线性系统理论的原理。
本发明的主题的其他优点和有利构型由说明书、权利要求和附图得出。前面提到的并且还要进一步阐述的特征同样可以各自使用或者多个任意组合地使用。所示出的并且所描述的实施方式不应理解为最终的列举，而是具有用于描述本发明的示例性特性。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示意性示出并且在下面参照附图详细地阐释。附示图出：
图1示出根据本发明的用于使激光射束一维转向的第一装置的纵剖面示图；
图2示出根据本发明的用于使激光射束二维转向的第二装置的底视图；
图3、4分别以类似于图1的纵剖面示图示出根据本发明的用于使激光射束二维转向的第三和第四装置；
图5a-5i示出用于根据本发明的不同实施方式的永磁体和至少一个线圈的横截面；和
图6示出具有根据本发明的装置的组件。
在下面对附图的描述中，相同或功能相同的构件使用相同的参考标记。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于借助于镜2使激光射束一维转向的装置1，对于该镜，在例如由半导体材料制成的镜衬底3上在两侧施加相同厚度的反射涂层4。反射涂层4例如可以是金属层、介电层或金属-电介质混合层，其中，这也包括层堆叠或层系统。镜2固定在连接元件5的上侧上，该连接元件可以如所示出的那样构造为固体铰节，并且由此所述镜在框架6中围绕轴线A可摆动地受支承。
永磁体8通过例如由非铁磁性材料制成的间距保持件7与连接元件5的下侧连接，并且由此也与布置在连接元件5上的镜2刚性地连接。永磁体8构造为具有北极和南极的柱体，其中，这些磁极布置在柱体上侧和下侧上并且限定磁体轴线9，该磁体轴线与永磁体8的柱体轴线或对称轴线一致。永磁体也可以具有其他几何结构。
永磁体8布置在两个线圈10、10’之间，这两个线圈分别通过(例如由非铁磁性材料制成的)线圈芯11与框架6刚性地连接并且具有共同的卷绕轴线12，线圈绕组围绕该卷绕轴线卷绕。所述线圈具有关于线圈10、10’中的电流流动而言同向的卷绕方向。磁体轴线9和卷绕轴线12不是平行地走向，而是以不同于零的角度、即在图1中仅示例性地以90°的角度相交。间距保持件7的长度确定永磁体8的中点和卷绕轴线12之间的间距。如果电流在线圈10、10’中流动，则永磁体8布置在由线圈产生的磁场中并且由此逆着连接元件5的复位力围绕轴线A偏转。相应地，使与永磁体8刚性连接的镜2一维转向。
例如由于线圈10、10’的欧姆电阻产生的损耗热量通过线圈芯11的接触导出至框架6。对此，由具有高导热性的材料例如铝合金、铝氧化物或铝氮化物制成的线圈芯11是特别适合的。
图2示出根据本发明的用于借助于镜2使激光射束二维转向的装置1，该镜固定在十字形连接元件5的上侧上，该连接元件可以如所示出的那样构造为固体铰节并且在框架6中围绕两个彼此正交的轴线A、B可摆动地受支承。替代于所示出的十字形连接元件，也可以使用其他实施方式，例如实施为固体铰节的、具有螺旋状弧形(geschwungenen)的辐条的膜片弹簧。
永磁体8布置在两个线圈对10、10’和14、14’之间，这两个线圈对分别通过(例如由非铁磁性材料制成的)线圈芯11与框架6刚性地连接。每个线圈对具有一个共同的卷绕轴线12、13，线圈绕组围绕所述卷绕轴线卷绕。每个线圈对的线圈关于线圈对中的电流流动而言具有同向的卷绕方向。这两个磁体轴线12、13不是共线的，而是彼此垂直并且分别垂直于永磁体8的磁体轴线9。如果电流在线圈10、10’和14、14’中流动，则永磁体8分别布置在由线圈产生的磁场中并且由此逆着连接元件5的复位力围绕轴线A、B偏转。与永磁体8刚性连接的镜的偏转相应地由围绕轴线A、B的偏转的叠加来产生。
在图3中示出的用于使激光射束二维转向的装置1中，间距保持件7不仅由非磁性的镜2的支柱7a或它的镜保持件而且由非铁磁的支柱段7b形成。永磁体8相对于关于线圈10、10’、14、14’居中的位置朝着镜2的方向错开地布置并且在该永磁体的高度H的50％至100％、此处所示出的100％上与线圈10、10’、14；14’的横截面重叠。在所示出的实施例中，永磁体8的高度H为约0.9至1mm并且线圈10、10’、14；14’的高度h为约2.3mm，其中，永磁体8的横截面的高度H是线圈横截面的高度h的约0.39倍。
在图4中示出的用于使激光射束二维转向的装置1中，间距保持件7由非磁性的镜保持件的支柱7a形成。与图3中不同，永磁体8具有分级的横截面，该横截面具有上方的连接支柱8a，该连接支柱固定在间距保持件7的支柱7a上。永磁体8相对于关于线圈10、10’、14、14’居中的位置朝着镜2的方向错开地布置并且在该永磁体的高度H的50％至100％、此处所示出的约80％上与线圈10、10’、14；14’的横截面重叠。在所示出的实施例中，永磁体8的高度H为约1.1mm并且线圈10、10’、14；14’的高度h为约2.3mm，其中，永磁体8在0.9mm上与线圈10、10’、14；14’的横截面重叠，并且永磁体8的横截面的高度H是线圈横截面的高度h的约0.48倍。也就是说，永磁体8比线圈10；10’；14；14’距离镜2更近。
图5a-5i示出用于根据本发明的不同实施方式的永磁体8和线圈10的不同横截面，其中，横截面应理解为垂直于对应的卷绕轴线12的截面。横截面的高度理解为横截面的沿垂直于镜2的摆动轴线A并且垂直于卷绕轴线12的方向的最大延伸尺度。这些定义分别涉及永磁体8的静止位置，即涉及没有电流流经线圈10时的状态。
图5a示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H小于线圈横截面的高度h的两倍，并且永磁体8与线圈10的横截面部分重叠。
图5b示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H小于线圈横截面的高度h的两倍，并且永磁体8与线圈10的横截面的重叠高度Δ大于或等于线圈10的横截面的高度h的50％。
图5c示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H小于线圈横截面的高度h的两倍，并且永磁体8与线圈10的横截面的重叠高度Δ等于线圈10的横截面的高度h。
图5d示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H在线圈横截面的高度h的0.9倍到1.1倍之间、尤其等于线圈横截面的高度h，并且永磁体8与线圈10的横截面部分地重叠。
图5e示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H在线圈横截面的高度h的0.9倍到1.1倍之间、尤其等于线圈横截面的高度，并且永磁体8与线圈10的横截面的重叠高度Δ大于或等于这两个高度h、H中较小高度的50％。
图5f示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H在线圈横截面的高度h的0.9倍到1.1倍之间、尤其等于线圈横截面的高度h，并且永磁体8与线圈10的横截面的重叠高度Δ等于这两个高度h、H中较小高度的100％。
图5g示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H小于线圈横截面的高度h，并且永磁体8与线圈10的横截面部分地重叠。
图5h示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H小于线圈横截面的高度h，并且永磁体8与线圈10的横截面的重叠高度Δ大于或等于永磁体8的横截面的高度H的50％。
图5i示出一根据本发明的实施方式，在该实施方式中，永磁体8的横截面的高度H小于线圈横截面的高度h，并且永磁体8与线圈10的横截面的重叠高度Δ等于永磁体8的高度H。不同于图5h，永磁体8的横截面完全位于线圈10的横截面内部。
图6示出一种组件15，该组件具有转向装置1、用于操控转向装置1的调节器16以及用于测量镜2的摆动角度的传感器17。传感器17产生用于调节器16的输入信号18，其中，调节器16通过输出信号19调整流经转向装置1的至少一个线圈的电流。在此，输出信号19通过系统的额定值20和传递函数来确定，其中，所述传递函数描述开环调节回路的输入和输出信号之间的关系。

Claims (12)

1.用于使激光射束转向的装置(1)，所述装置：
具有镜(2)，
具有框架(6)，所述镜(2)与该框架能摆动地连接，
具有永磁体(8)，该永磁体与所述镜(2)刚性地连接并且该永磁体的北极和南极限定磁体轴线(9)，
并且具有用于将磁性偏转力施加到所述永磁体(8)上的线圈(10；10’；14；14’)，所述线圈具有卷绕轴线(12；13)，线圈绕组围绕所述卷绕轴线卷绕，其中，所述线圈(10；10’；14；14’)与所述框架(6)刚性地连接，并且所述永磁体(8)布置在所述线圈(10；10’；14；14’)的磁场中，
其中，所述磁体轴线(9)和所述线圈(10；10’；14；14’)的所述卷绕轴线(12；13)不平行地走向，其中，沿着垂直于所述镜(2)的摆动轴线(A；B)并且垂直于所述卷绕轴线(12；13)的方向看，所述永磁体(8)的横截面的高度(H)小于或等于线圈横截面的高度(h)的两倍，并且永磁体(8)和线圈(10；10’；14；14’)的横截面至少部分地重叠，
其特征在于，
沿着垂直于所述镜(2)的摆动轴线(A；B)并且垂直于所述卷绕轴线(12；13)的方向所述永磁体(8)相对于关于所述线圈(10；10’；14；14’)居中的位置朝着所述镜(2)的方向错开地布置，其中，在卷绕轴线上设置具有同向的卷绕方向的至少两个线圈，并且永磁体布置在所述至少两个线圈之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永磁体(8)的横截面的所述高度(H)在所述线圈横截面的所述高度(h)的0.3倍与0.6倍之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述永磁体(8)的横截面的所述高度(H)小于所述线圈横截面的所述高度(h)。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，永磁体(8)和线圈(10；10’；14；14’)的横截面的重叠高度(Δ)大于或等于这两个高度(h、H)中较小高度的50％。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，永磁体(8)与线圈(10；10’；14；14’)的横截面的所述重叠高度(Δ)等于这两个高度(h、H)中较小高度的100％。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，镜(2)在所述框架(6)上借助于连接元件(5)可摆动地受支承，并且在所述永磁体(8)和所述连接元件(5)之间布置有间距保持件(7)，该间距保持件的长度限定所述永磁体(8)的中点和所述线圈(10；10’；14；14’)的所述卷绕轴线(12；13)之间的间距。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述线圈(10；10’；14；14’)具有由非铁磁性材料制成的线圈芯(11)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述线圈(10；10’；14：14’)的所述线圈芯(11)由铜合金、铝合金、由铝氧化物或由铝氮化物制成。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述镜(2)在两侧设有相同厚度的金属-电介质混合涂层。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述永磁体(8)比所述线圈(10；10’；14；14’)距离所述镜(2)更近。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述永磁体(8)在该永磁体的高度(H)的50％至100％上与所述线圈(10；10’；14；14’)的横截面重叠。
12.组件(15)，具有根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，具有用于操控所述装置(1)的调节器(16)并且具有传感器(17)，该传感器用于测量所述镜(2)的摆动角度并且用于产生用于所述调节器(16)的输入信号(18)，其中，所述调节器(16)通过输出信号(19)调整流经所述装置(1)的所述线圈(10；10’；14；14’)的电流，并且其中，所述输出信号(19)通过系统的额定值和传递函数确定。
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