CN111308478B - 一种双轴振镜和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴振镜和激光雷达，该双轴振镜包括：基座；振镜驱动架，所述振镜驱动架包括快轴支架、快轴框、快轴扭力梁、慢轴框以及慢轴扭力梁；所述快轴框通过所述快轴扭力梁固定连接于所述快轴支架的内侧，所述慢轴框的一端通过所述慢轴扭力梁固定连接于所述基座上，所述慢轴框的另一端与所述快轴支架固定连接；所述快轴支架远离所述慢轴框的一端旋转连接于所述基座中；反射镜片，安装在所述快轴框和/或所述慢轴框中；其中，所述快轴框通过所述快轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第一方向扭动，所述慢轴框的一端通过慢轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第二方赂扭动，同时带动所述快轴支架、快轴框及快轴扭力梁围绕第二方向相对于所述基座扭动，所述第一方向与所述第二方向垂直。本发明既可以提高扫描频率又有利于延长激光雷达的寿命。

Description

一种双轴振镜和激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种双轴振镜和激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统。随着激光雷达的发展，将微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜(本文中也简称为“振镜”)应用于激光雷达中，研发固态激光雷达成为近年来激光雷达的发展新趋势。MEMS振镜，是采用MEMS工艺制作的一种微镜，其工作模式多为谐振模式，具有尺寸小、震荡频率高、无旋转部件等优势。

MEMS振镜包括一维振镜和二维振镜，采用二维振镜的激光雷达能够实现二维扫描，相较于采用一维振镜的应用范围更广。现有技术中采用二维振镜的激光雷达中，MEMS振镜若工作在谐振频率，慢轴大角度扫描难以实现；但慢轴的低频静态驱动需要在低频下克服扭力梁刚度，而降低扭力梁刚度则容易被损坏。

发明内容

本发明实施例提供一种双轴振镜和激光雷达，即可以提高扫描频率又有利于延长激光雷达的寿命。

第一方面，本发明实施例提出一种双轴振镜，该双轴振镜包括：基座；

振镜驱动架，所述振镜驱动架包括快轴支架、快轴框、快轴扭力梁、慢轴框以及慢轴扭力梁；所述快轴框通过所述快轴扭力梁固定连接于所述快轴支架的内侧，所述慢轴框的一端通过所述慢轴扭力梁固定连接于所述基座上，所述慢轴框的另一端与所述快轴支架固定连接；所述快轴支架上远离所述慢轴框的一端旋转连接于所述基座中；

反射镜片，安装在所述快轴框和/或所述慢轴框中；

其中，所述快轴框通过所述快轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第一方向扭动，所述慢轴框的一端通过慢轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第二方向扭动，同时带动所述快轴支架、快轴框及快轴扭力梁围绕第二方向相对于所述基座扭动，所述第一方向与所述第二方向垂直。

在一实施例中，还包括第一磁铁、第二磁铁以及第一线圈；

沿所述第二方向，所述第一磁铁和所述第二磁铁设置于所述快轴框的相对两侧，所述第一线圈固定于所述快轴框上。

在一实施例中，还包括慢轴支架、第二线圈、第三磁铁、第四磁铁；

所述慢轴框设置于所述慢轴支架的内侧，沿所述第一方向，所述第三磁铁和所述第四磁铁设置于所述慢轴框的相对两侧且固定于所述慢轴支架内，所述第二线圈设置于所述慢轴框上。

在一实施例中，还包括两个轴承以及两个轴承座；

其中，所述基座上沿所述第二方向所述快轴支架的两端分别设置一所述轴承座，所述慢轴支架的第一端和所述快轴支架的第一端连接处套入一所述轴承座中的所述轴承，所述快轴支架的第二端套入另一所述轴承座中的所述轴承。

在一实施例中，还包括第一轴承盖和第二轴承盖，所述第一轴承盖和所述第二轴承盖分别套合于两个所述轴承外侧；还包括两个轴套，所述两个轴套分别用于固定所述轴承与所述快轴支架的第一端，以及用于固定所述轴承与所述快轴支架的第二端；

还包括辅助轴套，所述辅助轴套用于穿过所述第一轴承盖，且固定连接所述慢轴支架。

在一实施例中，所述快轴扭力梁和/或所述慢轴扭力梁为异形扭力梁，所述异形扭力梁的形状为非直线延伸型。

在一实施例中，所述反射镜片包括基材以及形成于所述基材上的反光膜；所述基材的材料为石英玻璃、蓝宝石或者不锈钢；和/或

所述基材为经过抛光处理后的基材；所述反光膜镀在所述基材上经过抛光处理的一面。

在一实施例中，所述反射镜片采用粘接或者镶嵌的方式安装在所述快轴框和/或所述慢轴框上。

在一实施例中，所述反射镜片的形状为圆形、矩阵或椭圆形。

第二方面，本发明实施例还提出一种激光雷达，该激光雷达包括第一方面提供的任一种双轴振镜。

本发明实施例提供的双轴振镜，通过快轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第一方向扭动，快轴支架、快轴扭力梁及慢轴框的一端围绕第二方向相对于所述基座扭动，慢轴框的另一端通过慢轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第二方向扭动，所述第一方向与所述第二方向垂直，这样慢轴的一端可避免扭力梁设置，即慢轴框的一端旋转时都无需克服扭力梁的刚度，反射镜片的旋转不受振动影响，可以延长双轴振镜的使用寿命，慢轴的另一端通过慢轴扭力梁固定在基座上以谐振频率旋转，这样不但可以提高扫描频率还可以通过慢轴的一端带动快轴支架复位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种双轴振镜的立体结构第一示意图；

图2是本发明实施例提供的一种双轴振镜的平面结构示意图；

图3是沿图3中A-A的剖面结构示意图；

图4是图1的右视图；

图5是图1的左视图；

图6为异性扭力梁的举例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例的改进点在于：针对电磁式振镜低频准静态扫描寿命短，易损坏的缺点，而谐振频率无法实现慢轴大角度扫描的缺点，本发明慢轴一端采用轴承支撑来实现整体旋转的方式，另一端则采用高频谐振扫描方式。

下面结合图1-图5，对本发明实施例提供的双轴振镜以及激光雷达进行示例性说明。

参考图1-图5，该双轴振镜10包括：基座100、振镜驱动架110以及反射镜片120；振镜驱动架110包括快轴支架111、快轴框112、慢轴框113、快轴扭力梁114以及慢轴扭力梁115，反射镜片120安装在快轴框112中；快轴框112通过快轴扭力梁114固定连接于快轴支架111的内侧，慢轴框113固定连接于快轴支架111的外侧。

振镜驱动架110的一端旋转连接于基座100中，另一端固定连接于基座100上。具体地，快轴采用谐振扫描方式，即快轴框112通过快轴扭力梁114固定连接于快轴支架111上，并通过快轴扭力梁114产生弹性变形的方式围绕第一方向X扭动；慢轴采用谐振+轴承的扫描方式，即慢轴框113的一端通过慢轴扭力梁115固定连接于基座100上，慢轴框113的另一端与快轴支架111固定连接，从而通过快轴支架111旋转连接于基座100上。慢轴扫描时，慢轴框113的一端通过慢轴扭力梁115产生弹性变形的方式围绕第二方向Y扭动，并同时带动快轴支架111、快轴框112及快轴扭力梁114围绕第二方向Y相对于基座100整体扭动，第一方向X与第二方向Y垂直。

其中，单独的反射镜片120(石英玻璃或者蓝宝石)与振镜驱动架110组装。振镜驱动架110包括快轴框112和慢轴框113，快轴框112和慢轴框113可围绕相互垂直的两个方向(即第一方向X和第二方向Y)扭动(也可称为“转动”或“旋转”)，从而实现反射镜片120在两个维度的转动。

在其他实施方式中，反射镜片120还可安装在慢轴框113中，甚至还可根据双轴振镜10的实际需求在快轴框112和慢轴框113中均设置一个反射镜片，本发明实施例对此不作限定。

在一实施例中，该双轴振镜10还包括第一磁铁210、第二磁铁220、第一线圈230；沿所述第二方向Y，第一磁铁210和第二磁铁220设置于快轴框112的相对两侧，第一线圈230固定于快轴框112上。

在一个实施例中，快轴框112和快轴扭力梁114为一体成型结构，第一磁铁210和第二磁铁220相对快轴框112和快轴扭力梁114、以平行于第一方向X的一直线为对称轴对称设置，快轴框112的边缘设置有第一线圈230。当第一线圈230通电时，其在第一磁铁210和第二磁铁220形成的磁场中会产生洛伦磁力，洛伦磁力在低频下克服快轴扭力梁114的刚度使之产生弹性变形，从而使得反射镜片120绕快轴扭力梁114的旋转轴旋转，从而实现一个维度的扫描。

需要说明的是，快轴框112和快轴扭力梁114为一体成型结构使得无需采用连接结构对快轴框112和快轴扭力梁114进行连接，能够简化双轴扫描系统的制备工艺，并简化双轴扫描系统的结构。

可以理解的是，在本实施例的其他实施方式中，快轴框112和快轴扭力梁114也可以为独立结构，两者通过连接结构进行连接，本实施例不对此进行限定。

在一个实施例中，快轴扭力梁114和/或慢轴扭力梁115为异形扭力梁，所述异形扭力梁的形状为非直线延伸型。示例性的，异形扭力梁的形状可为曲线型、折线型、蛇形或本领域技术人员可知的其他非直线型的形状(图6可以作为其中的举例示意)，本发明实施例对此不作限定。通过设置异形扭力梁结构取代传统单一直杆扭力梁设置(附图1～5都是以直杆扭力梁示例的)，可以降低快轴扭力梁和/或所述慢轴扭力梁的整体刚度，增大反射镜片120的转角范围，同时可降低快轴扭力梁和/或所述慢轴扭力梁的整体应力，延长器使用寿命。

示例性的，反射镜片120独立于快轴框112，反射镜片120可以通过粘接或者镶嵌的方式固定在快轴框112上，反射镜片120和快轴框112具有相同形状，比如本实施例中均为圆形。在其他实施例中，也可以采用矩阵或椭圆形。需要说明的是，本实施例对反射镜片120的形状不作具体限定，凡是平整平滑的表面结构均在本实施例的保护范围内，作业人员能够根据实际应用场景的不同针对性进行合理设置。

反射镜片120可以包括基材以及形成与基材表面的反光膜层。具体地，先按照扫描需求对基材进行加工，加工出一定形状、厚度后对其进行抛光处理和镀反射膜处理。基材可以选用加工方便、易于抛光、强度大且密度小的材料制成，如普通玻璃、石英玻璃以及蓝宝石等。基材也可以选用易于抛光的镜面不锈钢材料。本实施例中的振镜，通过将独立的反射镜片120与快轴框112组装形成反射结构，相对于一体成型的振镜镜面而言，反射镜质量通常更小，镜面质量更好，且具有更小的质量，从而使得整个振镜能够实现较高的扫描频率。

在一实施例中，该双轴振镜10还包括慢轴支架310、第二线圈320、第三磁铁330、第四磁铁340、两个轴承350以及两个轴承座360；慢轴框113设置于慢轴支架310的内侧，慢轴框113的第一端311与快轴支架111的第一端1111固定连接，慢轴框113的第二端312通过慢轴扭力梁115与基座100固定连接，快轴支架111远离慢轴框113的第二端1112与基座100旋转连接；基座100上沿第二方向Y快轴支架111的两端分别设置一轴承座360，慢轴框113的第一端311和快轴支架111的第一端1111连接处套入一轴承座360中的轴承350，快轴支架111的第二端1112套入另一轴承座360中的轴承350；沿第一方向X，第三磁铁330和第四磁铁340设置于慢轴框113的相对两侧且固定于慢轴支架310内，第二线圈320固定于慢轴框113上。

其中，慢轴框113的第一端311和快轴支架111的第一端1111连接处作为起振板直接套入轴承座360中的轴承350，快轴支架111的第二端1112作为起振板直接套入轴承座360中的轴承350。慢轴框113的两侧设置有第三磁铁330和第四磁铁340，第三磁铁330和第四磁铁340相对慢轴框113、其以平行于第二方向Y的一直线为对称轴对称设置；慢轴框113的边缘设置有第二线圈320。当第二线圈320通电时，其在第三磁铁330和第四磁铁340形成的磁场中会产生洛伦磁力，从而一方面使得慢轴扭力梁115产生弹性变形的方式围绕第一方向X扭动，另一方面使得起振片通过轴承350支撑带动慢轴框310和快轴支架111围绕第一方向X整体旋转，反射镜片120绕与快轴扭力梁114的旋转轴(沿第一方向X)垂直的方向(即第二方向Y)旋转，从而实现另一个维度的扫描。

如此，慢轴的一端可避免扭力梁设置，即慢轴框113的一端旋转时都无需克服扭力梁的刚度，反射镜片120的旋转不受振动影响，可以延长双轴振镜10的使用寿命，与此同时，慢轴的另一端通过慢轴扭力梁115固定在基座100上以谐振频率旋转，这样不但可以提高扫描频率还可以通过慢轴的一端带动快轴支架111复位。

在一实施例中，该双轴振镜10还可以包括第一轴承盖和第二轴承盖(图中未示出)，所述第一轴承盖和所述第二轴承盖分别套合于两个轴承350外侧；还包括两个轴套(图中未示出)，两个轴套分别用于固定轴承350与快轴支架111的第一端1111，以及用于固定轴承350与快轴支架111的第二端1112；还可以包括辅助轴套(图中未示出)，所述辅助轴套用于穿过所述第一轴承盖，且固定连接慢轴支架310。

如此，可利用轴承盖实现对轴承的保护。同时，慢轴方向相关的上述各结构部件连接关系稳固，有利于使双轴振镜10的整体结构稳定，从而有利于延长双轴振镜10的使用寿命。

本发明实施例提供的双轴振镜中，基座100上快轴支架111的两端设置有轴承350，通过快轴框112边缘的第一线圈240与两侧磁铁(即第一磁铁220和第二磁铁230)之间的电磁力使得快轴框112绕快轴扭力梁114的旋转轴方向旋转，从而实现一个维度的扫描；通过慢轴框113边缘的第二线圈320与两侧磁铁(即第三磁铁330和第四磁铁340)之间的电磁力使得慢轴框113绕与快轴扭力梁114垂直的方向旋转，从而实现另一个维度的扫描；两维度的延伸方向相互垂直。

在上述实施方式的基础上，本发明实施例还提供了一种激光雷达。该激光雷达可包括上述实施方式提供的任一种双轴振镜，因此，该激光雷达也具有上述实施方式中的双轴振镜所具有的有益效果，相同之处可参照上文中对双轴振镜的解释说明进行理解，在此不再赘述。

在其他实施方式中，激光雷达除包括双轴振镜之外，还可包括本领域技术人员可知的其他结构部件，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种双轴振镜，其特征在于，包括：

基座；

振镜驱动架，所述振镜驱动架包括快轴支架、快轴框、快轴扭力梁、慢轴框以及慢轴扭力梁；所述快轴框通过所述快轴扭力梁固定连接于所述快轴支架的内侧，所述慢轴框的一端通过所述慢轴扭力梁固定连接于所述基座上，所述慢轴框的另一端与所述快轴支架固定连接；所述快轴支架上远离所述慢轴框的一端旋转连接于所述基座中；

反射镜片，安装在所述快轴框和/或所述慢轴框中；

其中，所述快轴框通过所述快轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第一方向扭动，所述慢轴框的一端通过慢轴扭力梁产生弹性变形的方式围绕第二方向扭动，同时带动所述快轴支架、快轴框及快轴扭力梁围绕第二方向相对于所述基座扭动，所述第一方向与所述第二方向垂直；

所述慢轴的另一端通过所述慢轴扭力梁固定在所述基座上以谐振频率旋转，带动所述快轴支架复位。

2.根据权利要求1所述的双轴振镜，其特征在于，还包括第一磁铁、第二磁铁以及第一线圈；

沿所述第二方向，所述第一磁铁和所述第二磁铁设置于所述快轴框的相对两侧，所述第一线圈固定于所述快轴框上。

3.根据权利要求1所述的双轴振镜，其特征在于，还包括慢轴支架、第二线圈、第三磁铁、第四磁铁；

所述慢轴框设置于所述慢轴支架的内侧，沿所述第一方向，所述第三磁铁和所述第四磁铁设置于所述慢轴框的相对两侧且固定于所述慢轴支架内，所述第二线圈设置于所述慢轴框上。

4.根据权利要求3所述的双轴振镜，其特征在于，还包括两个轴承以及两个轴承座；

其中，所述基座上沿所述第二方向所述快轴支架的两端分别设置一所述轴承座，所述慢轴支架的第一端和所述快轴支架的第一端连接处套入一所述轴承座中的所述轴承，所述快轴支架的第二端套入另一所述轴承座中的所述轴承。

5.根据权利要求4所述的双轴振镜，其特征在于，还包括第一轴承盖和第二轴承盖，所述第一轴承盖和所述第二轴承盖分别套合于两个所述轴承外侧；还包括两个轴套，所述两个轴套分别用于固定所述轴承与所述快轴支架的第一端，以及用于固定所述轴承与所述快轴支架的第二端；

还包括辅助轴套，所述辅助轴套用于穿过所述第一轴承盖，且固定连接所述慢轴支架。

6.根据权利要求1所述的双轴振镜，其特征在于，所述快轴扭力梁和/或所述慢轴扭力梁为异形扭力梁，所述异形扭力梁的形状为非直线延伸型。

7.根据权利要求1所述的双轴振镜，其特征在于，所述反射镜片包括基材以及形成于所述基材上的反光膜；所述基材的材料为石英玻璃、蓝宝石或者不锈钢；和/或

所述基材为经过抛光处理后的基材；所述反光膜镀在所述基材上经过抛光处理的一面。

8.根据权利要求1所述的双轴振镜，其特征在于，所述反射镜片采用粘接或者镶嵌的方式安装在所述快轴框和/或所述慢轴框上。

9.根据权利要求1所述的双轴振镜，其特征在于，所述反射镜片的形状为圆形、矩阵或椭圆形。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的双轴振镜。

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