CN108768122A - Oct用直驱模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了应用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，包括永磁体、多极绕组定子、霍尔传感器、电机外壳、直驱电机驱动器和转轴；永磁体固定设置在转轴上，转轴上设置有贯穿转轴轴心的通孔，转轴包括设有滑环适配器接口的第一转轴端和设有导管适配器接口的第二转轴端；多极绕组定子、位置传感器和直驱电机驱动器固定在电机承轴上，霍尔传感器用于检测设置在转轴上的永磁体的磁极相对于多极绕组定子的位置，并通过直驱电机驱动器控制输入多极绕组定子中各电极的电流方向。本发明还公开了运用无刷直流直驱电机的OCT检测设备直驱模组、OCT检测设备驱动装置和OCT检测设备集成。使用本发明提供的技术方案，机械结构及电气控制简单，带来装配调试方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及应用于OCT设备的无刷直流直驱电机，以及使用该无刷直流直驱电机制造的OCT直驱模组和OCT设备。
背景技术
OCT(Optical Coherence tomography，光学相干层析技术)医学临床应用装备需要配接导管探头。从探头的工作原理分析，探测臂的红外激光需要经高速旋转的驱动装置驱动棱镜组件投射到探测点，同时探测物的反射光被棱镜接收，沿原光通路返回。导丝每旋转一圈，棱镜发出的红外缴光，相当于在一个与转动轴垂直的平面完成一次360度的圆周扫描。依据OCT光学相干断层扫描的方法，驱动装置带动探头导管每旋转一圈产生一帧平面影像(X,Y轴向图像)。驱动器前后移动位移，导管探测扫描平面在轴向(Z轴)位置的变动，就会产生对应Z轴位置的X-Y轴向平面图像。显然，这些按顺序组织起来的平面图像集合，就构成了三维图像。
构造三维影像需要高速旋转的驱动装置。从上述分析,不难得出如下公式：
比如:某临床检测的要求：50mm区间段内，导管抽回(往后移动)时间保证在2.5S时间内完成。若驱动器以10rps(600rpm)带动导管旋转,代入公式,可计算出图像分辨率2mm.以目前OCT的技术,纵向/横向普遍所达到的分辨率(20μm),显然轴向分辨率远没有达到纵向/横向的分辨率。
从上述分析可知，提高轴向分辨率有二个途径:
提高驱动器的转速,比如100rps,甚至更高.
延长回抽时间.
对于第二种解决途径,往往临床是不允许。提高驱动器转速成了唯一选择。
随着OCT技术在医学临床应用的不断推广，开发高速的驱动器是必然的结果。要实现高速传动，选用合式的传动方式是重要一环。传统的机械传动方式包括:带传动，链传动，齿轮传动等。
但要实现3000rpm(50rps)以上这样的高速度，高速齿轮传动是一种方案.齿轮传动面对更高的速度要求，亦会遇到技术上的瓶颈,其主要体现在以下二个方面：
速度瓶颈：齿轮传动速度提升到一定极限，高速度带来的问题包括机械噪音,机械振动。
精度瓶颈：为了在精度上、速度上取得进步，传统的机械传动装置不得不付出更高的制造成本，而且成本的提高和性能的提高不是成比例的。
发明内容
针对现有使用OCT设备对高速驱动装置的需求，本发明实施案例提供了应用于OCT检测设备的无刷直流驱动电机、OCT检测设备的直驱模组、OCT检测设备的驱动装置及OCT检测设备。
本发明实施案例提供的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，包括永磁体、多极绕组定子、霍尔传感器、电机承轴、直驱电机驱动器和转轴；
永磁体固定设置在转轴上，转轴上设置有贯穿转轴轴心的通孔，转轴包括设有滑环适配器接口的第一转轴端和设有导管适配器接口的第二转轴端；
多极绕组定子、霍尔传感器和直驱电机驱动器固定在电机承轴上，霍尔传感器连接直驱电机驱动器，直驱电机驱动器还连接多极绕组定子，转轴上的永磁体位于所述多极绕组定子的中心；
霍尔传感器用于检测设置在转轴上的永磁体的磁极相对于多极绕组定子的位置，并通过直驱电机驱动器控制输入多极绕组定子中各电极的电流方向。
直驱技术作为近十年来世界范围内新兴的传动技术，具有传统传动无法相比的优越性。直接驱动就是在驱动系统控制下将直驱电机直接连接到负载上，实现对负载的直接驱动。采用此种结构，所有机械传动部件(滚珠丝杠副、齿条与齿轮、传动皮带/皮带轮以及齿轮箱等)均被取消，消除了由机械传动带来的反向间隙、柔度以及与之相关的其它问题。本发明实施例提供的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，通过对现有直驱电机做了适应性的改动，将无刷直流直驱电机的转轴设置为贯通转轴轴心的转轴通孔，以供光纤从该无刷直流直驱电机的中心穿过，同时，为了可以和滑环适配器和导管适配器匹配，以达到更好地连接光纤的作用，在转轴对应连接滑环适配器的第一转轴端设置滑环适配器接口，在转轴对应导管适配器的第二转轴端设置导管适配器接口。通过对无刷直流直驱电机上述结构的改造，使的该无刷直流直驱电机可以直接适用于OCT检测设备，为OCT检测设备提供沿轴向360度旋转的动力。
优选地，该无刷直流直驱电机还包括电机外壳、电机前端盘和电机后端盘，电机前端盘和电机后端盘中心设有供转轴贯穿的通孔，电机前端盘从第一转轴端固定在电机外壳上，电机后端盘从第二转轴端固定在电机外壳上。电机前端盘和电机后端盘与电机外壳配合，组合成了无刷直流直驱电机的保护外壳，可将电机内部的多极绕组定子、永磁体、转轴等密封在保护外壳之内，既避免外部环境影响电机的精密配合和工作，也避免高速旋转的转轴和永磁体对操作人员的伤害。
一种具体的实施方式中，滑环适配器接口包括从第一转轴端面开始设置的第一阶梯轴和第二阶梯轴，所述第一阶梯轴的外径小于所述第二阶梯轴的外径。第一阶梯轴的外径小于第二阶梯轴，可以实现将第一阶梯轴插入到滑环适配器的连接端口处，同时第二阶梯轴提供了限位的作用。
导管适配器接口包括从第二转轴端面开始设置的第三阶梯轴和第四阶梯轴，所述第四阶梯轴的外径小于所述第三阶梯轴的外径；所述第三阶梯轴侧面设置供导管适配器接头卡接的接口，所述第四阶梯轴设置贯穿第四阶梯侧壁的侧壁通孔。同时在侧壁通孔处设置有光通讯模块，用于接收光控制信号。
本发明实施例还提供OCT检测设备的直驱模组，包括电机座、光纤滑环、滑环适配器、导管适配器和如上述的无刷直流直驱电机，光纤滑环和无刷直流直驱电机固定设置在电机座上，光纤滑环输入端外接光源光纤，光纤滑环输出端连接光纤连接滑环适配器的光纤输入端，滑环适配器通过滑环适配器接口连接无刷直流直驱电机的转轴，并作同步旋转运动，导管适配器通过SG法兰盘连接导管适配器接口，光纤穿过设置在转轴轴心的通孔并通过所述导管适配器接口连接到导管适配器上。
本发明实施例提供的OCT检测设备的直驱模组，弃用了传统经电机驱动，并通过传动部件带动转轴旋转的方式，采用了经改造的适用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，现阶段实现6000rpm以上的转速已成为可能。采用直驱技术可以在设备上轻松地实现速度控制、精准定位。传动系统因减少了机械传动零部件，减少了磨损，提高了设备寿命，还节约了能源，同时，节约了零件的原材料和制造成本，从而降低的设备整体的成本。同时随着直驱电机制造技术的发展，采用无刷直流直驱电机的OCT检测设备的直驱模组，可以实现更高的转速、更精密的速度控制和精度可控制，是的OCT检测设备实现更好的检测性能。
优选地，还包括码盘，码盘固定在所述滑环适配器上。
本发明实施例进一步提供OCT检测设备的驱动装置，包括如上述的OCT检测设备的直驱模组，还包括线性导轨模组，线性导轨模组包括滑台、直线导轨、步进电机和步进电机驱动器，滑台固定连接电机座，直线导轨的导轨方向沿电机座的纵向设置，步进电机通过传动机构连接滑台；
步进电机用于驱动滑台沿直线导轨移动，步进电机驱动器用于接收控制信号并按控制信号驱动步进电机工作。
本发明实施例提供的OCT检测设备的驱动装置，通过直驱模组实现沿绕转轴360度的高速旋转，通过线性导轨模组实现沿转轴纵向前后移动。
同时，本发明实施例还提供了OCT检测设备，包括支架和如上述的OCT检测设备驱动装置，直线导轨和步进电机固定在支架上，支架前端对应导管适配器位置设置有导管插座，OCT探头穿过所述导管插座通过导管连接所述导管适配器。
本发明实施例运用直驱技术原理，开发一款专为OCT应用领域使用的无刷直流直驱电机。并结合直驱模组与线性导轨模组，组成了完整的OCT检测设备驱动装置。该装置成功地解决高速传动所带来的技术难题，同时，因机电一体化结构设计，机械结构及电气控制简单，带来装配调试方便等优点，为加速OCT装备研发推广应用提供一条便捷途径。
附图说明
图1为本发明实施例中用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机结构示意图；
图2为本发明实施例中OCT检测设备的直驱模组结构示意图；
图3为本发明实施例中OCT检测设备中的驱动器结构示意图。
附图中：100、无刷直流直驱电机；110、转轴；111、通孔；112、第一阶梯轴；113、第二阶梯轴；114、第三阶梯轴；115、第四阶梯轴；116、接口；117、侧壁通孔；120、电机外壳；200、光通讯模块；300、直驱模组；310、电机座；320、光纤滑环；330、滑环适配器；340、导管适配器；350、光源光纤；360、SG法兰盘；370、开关挡板；410、滑台；420、直线导轨；430、步进电机；440、步进电机驱动器；500、支架；510、导管插座。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
随着OCT技术的发展，对OCT检测设备的驱动装置提出了更高的要求，特别是对于驱动OCT导管探头做高速旋转的伺服电机和传动机构提出了更高的要求。然而，目前应用于OCT检测装置OCT导管探头驱动的伺服电机和传动机构尽管做了大量的改进，还是存在着技术瓶颈。一方面，随着速度的提升，带来了机械噪声，机械振动也变得难于控制。另一方面，性能的提升使得制造成本大幅提升。
为解决现有OCT检测设备要求更高转速时带来的技术瓶颈，本发明提供的技术方案另辟蹊径，通过研究近十年来新兴的直驱技术，并将其中的无刷直流直驱电机做了优化和改进，使其完美解决了OCT检测设备对更高转速发展的要求。同时，也为OCT检测设备驱动技术提供了一个重要的发展方向。
实施例：
如图1所示，本发明实施案例提供的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机100，包括永磁体(未图示)、多极绕组定子(未图示)、霍尔传感器(未图示)、电机承轴(未图示)、直驱电机驱动器(未图示)和转轴110。其中，永磁体、多极绕组定子、霍尔传感器和直驱电机驱动器在直流直驱电机中已经有成熟的应用方案，本发明提供的技术方案对其结构没有限制。
永磁体固定设置在转轴110上，转轴110上设置有贯穿转轴110轴心的通孔111，转轴110包括设有滑环适配器接口的第一转轴端和设有导管适配器接口的第二转轴端；其中，永磁体和转轴110可以一体成型制作，以增加转轴110的机械强度。
多极绕组定子、霍尔传感器和直驱电机驱动器固定在电机承轴上，霍尔传感器连接直驱电机驱动器，直驱电机驱动器还连接多极绕组定子，转轴110上的永磁体位于所述多极绕组定子的中心。
霍尔传感器用于检测设置在转轴110上的永磁体的磁极相对于多极绕组定子的位置，并通过直驱电机驱动器控制输入多极绕组定子中各电极的电流方向。多极绕组定子通过直驱电机驱动器外接直流电源，并由直驱电机驱动器来控制各电极绕组通过的电流方向和大小来改变多极绕组定子产生的磁场方向和磁场的大小。霍尔传感器上设置有电磁感应装置，如磁传感器，通过感应电磁磁力的方向来判断电磁的磁极。位置传感器将感应到的永磁体的磁极方向信息传递给直驱电机驱动器，直驱电机驱动器将根据位置传感器感应的信息，通过改变各电极绕组的电流方向来改变各电极绕组产生的磁场方向，从而产生与永磁体磁极相反的电磁场，利用磁体异极相吸的原理，驱动永磁体运动，从而带动转轴110旋转。同时，直驱电机驱动器还根据控制信号，通过控制输入各电极绕组的电流大小来控制产生的磁场强弱，从而控制转轴110的转速。
直驱技术作为近十年来世界范围内新兴的传动技术，具有传统传动无法相比的优越性。直接驱动就是在驱动系统控制下将直驱电机直接连接到负载上，实现对负载的直接驱动。采用此种结构，所有机械传动部件(滚珠丝杠副、齿条与齿轮、传动皮带/皮带轮以及齿轮箱等)均被取消，消除了由机械传动带来的反向间隙、柔度以及与之相关的其它问题。本发明实施例提供的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机100，通过对现有直驱电机做了适应性的改动，将无刷直流直驱电机100的转轴110设置为贯通转轴110轴心的转轴通孔111，以供光纤从该无刷直流直驱电机100的中心穿过，同时，为了可以和滑环适配器330和导管适配器340匹配，以达到更好地连接光纤的作用，在转轴110对应连接滑环适配器330的第一转轴端设置滑环适配器接口，在转轴110对应导管适配器340的第二转轴端设置导管适配器接口。通过对无刷直流直驱电机100上述结构的改造，使的该无刷直流直驱电机100可以直接适用于OCT检测设备，为OCT检测设备提供沿轴向360度旋转的动力。
同时，采用无刷的直流直驱电机，还有以下优点：
1、低干扰：无刷电机去除了电刷，不用考虑电刷的寿命和定期更换电刷。电机运转时不会产生电火花，这样就极大减少了电火花对周围无线电设备的干扰。
2、噪音低，运转顺畅无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对低噪声要求的环境尤为适用。这对作为医疗检测设备的OCT检测设备来说会有更好的体验
3、寿命长，维护成本低：从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。
优选地，该无刷直流直驱电机100还包括电机外壳120、电机前端盘和电机后端盘，电机前端盘和电机后端盘中心设有供转轴110贯穿的通孔111，电机前端盘从第一转轴端固定在电机外壳120上，电机后端盘从第二转轴端固定在电机外壳120上。电机前端盘和电机后端盘与电机外壳120配合，组合成了无刷直流直驱电机100的保护外壳，可将电机内部的多极绕组定子、永磁体、转轴110等密封在保护外壳之内，既避免外部环境影响电机的精密配合和工作，也避免高速旋转的转轴110和永磁体对操作人员的伤害。
一种具体的实施方式中，滑环适配器接口包括从第一转轴端面开始设置的第一阶梯轴112和第二阶梯轴113，所述第一阶梯轴112的外径小于所述第二阶梯轴113的外径。第一阶梯轴112的外径小于第二阶梯轴113，可以实现将第一阶梯轴112插入到滑环适配器330的连接端口处，同时第二阶梯轴113提供了限位的作用。
导管适配器接口包括从第二转轴端面开始设置的第三阶梯轴114和第四阶梯轴115，所述第四阶梯轴115的外径小于所述第三阶梯轴114的外径；所述第三阶梯轴114侧面设置供导管适配器340接头卡接的接口116，所述第四阶梯轴115设置贯穿第四阶梯轴115侧壁的侧壁通孔117。同时在侧壁通孔117处设置有光通讯模块200，用于接收光控制信号。
如图2所示，本发明实施例还提供OCT检测设备的直驱模组300，包括电机座310、光纤滑环320、滑环适配器330、导管适配器340和如上述的无刷直流直驱电机100，光纤滑环320和无刷直流直驱电机100固定设置在电机座310上，光纤滑环320输入端外接光源光纤350，光纤滑环320输出端连接光纤连接滑环适配器330的光纤输入端，滑环适配器330通过滑环适配器接口连接无刷直流直驱电机100的转轴110，并作同步旋转运动，导管适配器340通过SG法兰盘360连接导管适配器接口，光纤穿过设置在转轴110轴心的通孔111并通过所述导管适配器接口连接到导管适配器340上。其中，光纤滑环320能实现光信号在转动部件如滑环适配器330、无刷直流直驱电机100与静止部件如光源光纤350间进行无间断传输。
本发明实施例提供的OCT检测设备的直驱模组300，弃用了传统经电机驱动，并通过传动部件带动转轴110旋转的方式，采用了经改造的适用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机100，现阶段实现6000rpm以上的转速已成为可能。采用直驱技术可以在设备上轻松地实现速度控制、精准定位。传动系统因减少了机械传动零部件，减少了磨损，提高了设备寿命，还节约了能源，同时，节约了零件的原材料和制造成本，从而降低的设备整体的成本。同时随着直驱电机制造技术的发展，采用无刷直流直驱电机100的OCT检测设备的直驱模组300，可以实现更高的转速、更精密的速度控制和精度可控制，是的OCT检测设备实现更好的检测性能。
优选地，还包括码盘，码盘固定在所述滑环适配器330上。
如图3所示，本发明实施例进一步提供OCT检测设备的驱动装置，包括如上述的OCT检测设备的直驱模组300，还包括线性导轨模组，线性导轨模组包括滑台410、直线导轨420、步进电机430和步进电机驱动器440，滑台410固定连接电机座310，直线导轨420的导轨方向沿电机座310的纵向设置，步进电机430通过传动机构连接滑台410；
步进电机430用于驱动滑台410沿直线导轨420移动，步进电机驱动器440用于接收控制信号并按控制信号驱动步进电机430工作。如控制步进电机430的转向和转速，控制步进电机430的行程等，从而达到控制直驱模组300在直线导轨420上移动的速度、方向和行程。同时，还可以在滑台410和电机座310之间设置开关挡板370。开关档板用于触发两端的光电开关，从而实现零位检测和行程限位安全保险。
本发明实施例提供的OCT检测设备的驱动装置，通过直驱模组300实现沿绕转轴360度的高速旋转，通过线性导轨模组实现沿转轴110纵向前后移动。
如图3所示，本发明实施例还提供了OCT检测设备，包括支架500和如上述的OCT检测设备驱动装置，直线导轨420和步进电机430固定在支架500上，支架500前端对应导管适配器340位置设置有导管插座510，OCT探头穿过导管插座510通过导管连接导管适配器340，并由SG法兰盘360实现和转轴110的稳固连接。导管插座510用来为OCT探头进行限位，并通过转轴110带动导管适配器340旋转，从而带动连接到导管适配器340上的导管高速旋转，从而驱动OCT探头高速旋转。
本发明实施例运用直驱技术原理，开发一款专为OCT应用领域使用的无刷直流直驱电机100。并结合直驱模组300与线性导轨模组，组成了完整的OCT检测设备驱动装置。该装置成功地解决高速传动所带来的技术难题，同时，因机电一体化结构设计，机械结构及电气控制简单，带来装配调试方便等优点，为加速OCT装备研发推广应用提供一条便捷途径。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (9)
1.用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，其特征在于，包括永磁体、多极绕组定子、霍尔传感器、电机承轴、直驱电机驱动器和转轴；
所述永磁体固定设置在所述转轴上，所述转轴上设置有贯穿所述转轴轴心的通孔，所述转轴包括设有滑环适配器接口的第一转轴端和设有导管适配器接口的第二转轴端；
所述多极绕组定子、霍尔传感器和直驱电机驱动器固定在所述电机承轴上，所述霍尔传感器连接所述直驱电机驱动器，所述直驱电机驱动器还连接所述多极绕组定子，所述转轴上的永磁体位于所述多极绕组定子的中心；
所述霍尔传感器用于检测设置在所述转轴上的永磁体的磁极相对于多极绕组定子的位置，并通过所述直驱电机驱动器控制输入多极绕组定子中各电极的电流方向。
2.如权利要求1所述的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，其特征在于，还包括电机外壳、电机前端盘和电机后端盘，所述电机前端盘和所述电机后端盘中心设有供所述转轴贯穿的通孔，所述电机前端盘从第一转轴端固定在所述电机外壳上，所述电机后端盘从第二转轴端固定在所述电机外壳上。
3.如权利要求1或2所述的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，其特征在于，所述滑环适配器接口包括从第一转轴端面开始设置的第一阶梯轴和第二阶梯轴，所述第一阶梯轴的外径小于所述第二阶梯轴的外径。
4.如权利要求3所述的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，其特征在于，所述导管适配器接口包括从第二转轴端面开始设置的第三阶梯轴和第四阶梯轴，所述第四阶梯轴的外径小于所述第三阶梯轴的外径；所述第三阶梯轴侧面设置供导管适配器接头卡接的接口，所述第四阶梯轴设置贯穿第四阶梯侧壁的侧壁通孔。
5.如权利要求4所述的用于OCT检测设备的无刷直流直驱电机，其特征在于，所述侧壁通孔处设置有光通讯模块，所述光通讯模块用于接收光控制信号。
6.OCT检测设备的直驱模组，其特征在于，包括电机座、光纤滑环、滑环适配器、导管适配器和如权利要求1至4任一所述的无刷直流直驱电机，所述光纤滑环和无刷直流直驱电机与所述电机座固定连接，所述光纤滑环输入端外接光源光纤，所述光纤滑环输出端连接光纤连接滑环适配器的光纤输入端，所述滑环适配器通过所述滑环适配器接口连接所述无刷直流直驱电机的转轴，并作同步旋转运动，所述导管适配器通过SG法兰盘连接所述导管适配器接口，光纤穿过设置在所述转轴轴心的通孔并通过所述导管适配器接口连接到所述导管适配器上。
7.如权利要求6所述的OCT检测设备的直驱模组，其特征在于，还包括码盘，所述码盘固定在所述滑环适配器上。
8.OCT检测设备的驱动装置，其他在于，包括如权利要求6或者7所述的OCT检测设备的直驱模组，还包括线性导轨模组，所述线性导轨模组包括滑台、直线导轨、步进电机和步进电机驱动器，所述滑台固定连接电机座，所述直线导轨的导轨方向沿电机座的纵向设置，所述步进电机通过传动机构连接所述滑台；
所述步进电机用于驱动所述滑台沿所述直线导轨移动，所述步进电机驱动器用于接收控制信号并按控制信号驱动所述步进电机工作。
9.OCT检测设备，其特征在于，包括支架和如权利要求8所述的OCT检测设备驱动装置，所述直线导轨和步进电机固定在所述支架上，所述支架前端对应所述导管适配器位置设置有导管插座，OCT探头穿过所述导管插座通过导管连接所述导管适配器。
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