CN114384691B - 致动器、光纤扫描器及投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种致动器、光纤扫描器及投影设备，用于解决现有技术中光纤扫描器的致动器性能较差的技术问题，从而提高增强致动器的机械性能，增强光纤扫描器的稳定性。该致动器包括：压电纤维和沿轴线延伸的基体件，所述压电纤维沿所述基体件周向均匀分布，且所述压电纤维沿轴向延伸，能有效提高致动器的机械性能、韧性强，使得致动器具有较好的抗断性，提高光纤扫描器的可靠性，从而保证光纤扫描器驱动控制的精度，有效提高扫描图像的显示质量。

Description

致动器、光纤扫描器及投影设备

技术领域

本发明涉及扫描显示技术领域，特别涉及一种致动器、光纤扫描器及投影设备。

背景技术

光纤共振型压电扫描器是一种利用光纤悬臂的正交方向上的共振特性来实现静态或动态图像扫描功能的新型扫描器，相比于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System；微机电系统)扫描器，光纤共振型压电扫描器的体积更小，成本更低，而且制造工艺简便，更易集成。

现有的光纤扫描器的结构通常包括底座、致动器、光纤和透镜，光纤一部分固定在致动器上，一部分伸出致动器作为光纤悬臂。工作时，致动器以与底座相固定的一端为固定端，另一端为自由端；致动器具有两个独立的振动方向，自由端的扫动轨迹为两个独立振动方向的合成轨迹；光纤悬臂随之也被带动扫描，光纤悬臂末端在三维空间中以螺旋或螺旋桨、李萨茹、栅格式等轨迹扫描。

但现有压电类驱动器，通常是采用压电陶瓷作为驱动器，但超薄壁的压电陶瓷致动器在烧结过程中，容易产生壁厚不均、变形甚至弯曲的情况，导致光纤扫描器在扫描过程中难以保证驱动控制精度，影响图像显示质量。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种致动器、光纤扫描器及投影设备，用于解决现有技术中光纤扫描器的致动器性能较差的技术问题，从而提高增强致动器的机械性能，增强光纤扫描器的稳定性。

本发明实施例中提供的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种致动器，包括压电纤维和沿轴线延伸的基体件，所述压电纤维沿所述基体件周向均匀分布，且所述压电纤维沿轴向延伸。

可选的，所述压电纤维为压电纤维棒。

可选的，所述致动器还包括驱动电极，设置在所述基体件中与所述压电纤维对应的部分；其中，所述驱动电极包括内电极和与所述内电极配合的外电极，所述内电极沿所述基体周向设置于所述基体件内部，所述外电极沿所述基体的周向分离且对称地设置于所述基体件外表面，所述压电纤维处于所述内电极与所述外电极之间。

可选的，所述致动器还包括由所述基体件沿轴线正方向延伸形成的放大部；在所述轴线方向上，所述放大部的长度大于所述压电纤维部分的长度。

可选的，所述致动器还包括基座部，所述基座部由所述基体件沿轴线反向延伸形成。

可选的，所述基座部的截面面积大于所述压电纤维所在的基体件的截面面积。

可选的，所述基体件的材料为树脂材料。

可选的，所述基体件的形状呈柱状或管状。

第二方面，本发明实施例提供一种光纤扫描器，至少包括光纤、底座和前述第一方面所述的致动器，所述致动器固定在所述底座上，所述光纤固定在所述致动器上，所述光纤超出所述致器的部分形成光纤悬臂，所述致动器在驱动信号的作用下带动所述光纤按照设定轨迹摆动。

第三方面，本发明实施例提供一种投影设备，包括光源和如权利要求9所述的光纤扫描器，所述光源用于调制输出待显示图像的光束，所述光束经所述光纤扫描器扫描出射，形成与所述待显示图像对应的投影图像。

采用本申请实施例中的技术方案可以实现以下技术效果：

本发明实施例中，致动器在致动部位的基体件内部设置了压电纤维，能有效提高致动器的机械性能、韧性强，使得致动器具有较好的抗断性和抗震性，提升致动器的跌落表现，提高光纤扫描器中致动器的可靠性、抗疲劳特性等，从而保证光纤扫描器驱动控制的精度，有效提高扫描图像的显示质量。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1A-图1B为现有技术中光纤扫描投影成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中致动器的一种结构示意图；

图3为本发明实施例中致动器的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例中致动器的截面示意图。

图5为本发明实施例中光纤扫描器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先，对现有的光纤扫描投影成像系统进行介绍，以便本领域技术人员了解本申请中光纤扫描器的应有场景。

光纤扫描投影成像系统利用光纤扫描器中的致动器带动光纤高速振动，并配合激光调制算法，实现图像信息的显示。如图1A所示，为现有的一种光纤扫描投影成像系统，其主要包括：处理器100、激光器组110、光纤扫描器120、传输光纤130、光源调制电路140、扫描驱动电路150及合束单元160。

其中,处理器100可以为图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或者其它具有控制功能、图像处理功能的芯片或电路，这里并不进行具体限定。

系统工作时，处理器100可根据待显示的图像数据控制光源调制电路140对激光器组110进行调制，激光器组110中包含多个单色激光器，分别发出不同颜色的光束。从图1中可见，激光器组中具体可采用红(Red，R)、绿(Green，G)、蓝(Blue，B)三色激光器。激光器组110中各激光器发出的光束经由合束单元160合束为一束激光并耦入至传输光纤130中。

处理器100还可控制扫描驱动电路150驱动光纤扫描器120进行扫动，从而将传输光纤130中传输的光束扫描输出。

由光纤扫描器120扫描输出的光束作用于介质表面上某一像素点位置，并在该像素点位置上形成光斑，便实现了对该像素点位置的扫描。在光纤扫描器120带动下，传输光纤130输出端按照一定扫描轨迹扫动，从而使得光束移动至对应的像素点位置进行扫描。实际扫描过程中，传输光纤130输出的光束将在每个像素点位置形成具有相应图像信息(如：颜色、灰度或亮度)的光斑。在一帧的时间里，光束以足够高的速度遍历每一像素点位置完成一帧图像的扫描，由于人眼观察事物存在“视觉残留”的特点，故人眼便无法察觉光束在每一像素点位置上的移动，而是看见一帧完整的图像。

继续参考图1B，为现有的光纤扫描器120的结构，其主要包括：压电致动器121、光纤悬臂122、透镜123、扫描器封装壳124以及固定件125。压电致动器121通过固定件125固定于扫描器封装壳124中，传输光纤130在致动器121的自由端延伸形成光纤悬臂122(也可称为扫描光纤)，工作时，压电致动器121在扫描驱动信号的驱动下沿Y轴方向(在本申请中，也可称为第一轴方向)及X轴方向(在本申请中，也可称为第二轴方向)振动，受压电致动器121带动，光纤悬臂122的自由端按预设轨迹扫动并出射光束，出射的光束便可透过透镜123在介质表面上扫描。

目前的光纤扫描器中，压电致动器通常采用压电陶瓷，但超薄壁的压电陶瓷致动器在烧结过程中，容易产生壁厚不均、变形甚至弯曲的情况，则在将压电致动器应用在光纤扫描器上时，会导致光纤扫描器的非线性强，一致性差，难以保证驱动控制精度，从而影响投影图像的显示质量。

接下来，介绍本发明实施例所提供的一种致动器，用于提高光纤扫描器的可靠性，从而保证投影过程中的图像显示质量。

参考图2～图4，为本发明实施例提供的致动器10的示意图，其包括压电纤维101和沿轴线延伸的基体件102，压电纤维101沿基体件102周向依次分布，且压电纤维101沿基体件102的轴向延伸，以提高致动器10的韧性，增强可靠性。其中，图3是图2所示的致动器10的剖面示意图，图4为图2所示的致动器10的截面示意图。

本发明实施例中，通过沿基体件102周向设置压电纤维101，代替现有技术中常用的压电陶瓷，可以降低系统等效刚度，使得致动器的频响更宽，从而更易实现复杂的轨迹控制；并且系统等效刚度的降低，还可以使系统的机电耦合系数上升，从而降低驱动功耗，节约成本；进一步，由于避免了采用压电陶瓷的烧结工艺，本方案还可以降低工艺难度，提高成型精度，并有利于减小致动器的尺寸、重量。

本发明实施例中，致动器10的基体件102可作为致动器10的本体，基体件102的形状可以是管状或柱状(即实心)，其截面形状可以是方形、圆形等，本发明实施例主要以致动器10是圆管形状为例进行说明。基体件102可选用树脂等基材料注塑成型，工艺技术成熟且精度高。在实际设计过程中，还可以根据致动器10频率响应等需求选择，调配或改变基体件102的阻尼系数、弹性模量、扭转模量等各种材料参数，以达到设计要求。

致动器10的基体件102中设置有压电纤维101，即压电纤维101被基体件102(如树脂材料)包裹住。被包裹的压电纤维101沿基体件102的周向均匀分布，且沿基体件102的轴线方向延伸一段距离，即形成致动器10的压电致动部分，本文中可将基体件102中设置压电纤维101的部分称为致动部，如此能有效增强致动器10的韧性，提高抗断裂性，提升致动器的跌落表现。

压电纤维101可以是由挤出、纺丝等工艺成型的。本发明实施例中主要以压电纤维101为压电纤维101棒为例进行说明，图3所示的圆管型致动器10的截面示意图中，致动器10中的压电纤维101棒在基体件102内沿圆周均匀布置。在实际应用中，可将压电纤维101沿基体件102顺向浇注在其管壁内，压电纤维101在轴线方向上的长度可以根据实际致动需求设置。

本发明实施例中，致动器10还包括驱动电极103，如金属化电极，请参见图3和图4所示，驱动电极103设置在基体件102的内外壁上与压电纤维101对应的位置，通过对驱动电极103添加相应的电信号可使压电纤维101产生压电效应，带动其所在位置的基体件102收缩或伸展，从而驱动致动器10在相应方向上摆动。

具体来说，驱动电极103包括内电极1031及与内电极1031配合的至少一对外电极1032。其中，内电极1031可设置在基体件102内部或内壁，沿基体件102的周向设置，且在轴线方向上延伸；外电极1032分布在基体件102的外表面上周向，外电极1032在基体件102的周向上是分离布置的，例如二分电极(一对电极对)、四分电极(两对电极对)、六分电极(三对电极对)、八分电极(四对电极对)等，其沿轴线方向延伸且每对外电极在基体件102上对称设置，上电后，内外电极的配合促使致动器10中的压电产生压电效应，从而带动致动器10摆动。图4所示的致动器10中，外电极采用四分电极的分离方式对称设置，基体件102的管外壁上，两片电极10321互为电极对，两片电极10322也互为电极对，并共同与管内壁的内电极1031作用。

致动器10摆动时，是按照致动器10中外电极部分所覆盖的区域上针对压电材料产生压电效应而导致摆动。在图4所示的四分电极的情况下，电极对10321促使压电纤维101产生压电效应，促使基体件102在第一方向(如X轴方向)上收缩及伸展，从而带动致动器10在第一方向摆动；同时，电极对10322促使压电纤维101产生压电效应，促使基体件102在第二方向(如Y轴方向)上收缩及伸展，从而带动致动器10在第二方向上摆动，最终使得致动器10在第一方向和第二方向的合力方向上摆动。本发明实施例对外电极的分割方式不作限制，设计人员可根据致动器10的实际应用需求设置。

本发明实施例中，内电极1031和外电极之间为厚度一致且布置有压电纤维101的基体件部分。若基体件102为空心的结构，如管状，则内电极1031可设置在基体件102的管内壁上，外电极设置在基体件102的外表面，压电纤维101处于内外电极之间的基体件102内。

驱动电极103可采用诸如涂布、印刷、气相沉积等工艺，在基体件102上与压电纤维101对应部分的外壁及内壁上形成电极薄层或电极薄膜。优选的，内外电极可以是金属涂层，如银涂层，根据金属化工艺的不同，涂层的厚度范围可在[1um,20um]。

各外电极和内电极1031均连接有导电物质，以通过导电物质连接致动器10外部的器件。所述的导电物质可以为导线或印刷电路等，导电物质直接从内电极1031焊线出来，也可以将金属涂层引到外，为了避免导线等类似导电物质对光纤扫描驱动器的振动形成干涉，优选的，所述的导电物质为薄膜导电层。在光纤扫描驱动器振动的过程中，薄膜随光纤扫描驱动器弯曲变形，相比导线连接，能够很好克服因导线自重而对光纤扫描驱动器的位移造成的影响。

在一种可能的实施例中，致动器10的基体件102可沿轴线正方向延伸形成致动器10的放大部。在轴线方向上，放大部的长度可大于压电纤维101部分的长度。基体件102正向延伸形成的放大部可降低阻尼，且放大部对致动器10的摆动具有放大作用。

在另一可能的实施例中，致动器10的基体件102可沿轴线负方向延伸形成致动器10的基座部，可用于固定致动器10。例如，致动器10通过基座部与光纤扫描器的基座进行连接固定。优选的，基底部的截面面积可大于压电纤维101所在部分的基体件102的截面面积，有助于在利用基底部固定致动器10时，提高致动器10的稳固性。

在图2所示的本发明实施例中致动器10的结构示意图中，标识L1代表致动器10中基底部在轴线方向上的长度，标识L2代表致动器10的致动部(即设置有压电纤维101的部分)在轴线方向上的长度，标识L3代表致动器10的放大部在轴线方向上的长度，则有L3＞L2。

如图5所示，基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种光纤扫描器，该光纤扫描器可包括光纤201、底座202和前述的致动器10。其中，致动器10固定在底座202上，例如通过包含压电纤维101的致动器部分与底座202直接连接固定，或者，也可以通过基体件102反向延伸形成的基底部与底座202连接固定。光纤201固定在致动器10上，光纤201经过致动器10后在致动器10的放大部所在端延伸形成光纤悬臂。

具体来说，光纤201可固定设置在致动器10上(如固定在表面)或致动器10内部。在将光纤201固定在致动器10内部时，若致动器10是实心的，可在致动器10的内部预留出容置光纤201的通孔，进而固定穿过通孔的光纤201；或者，若致动器10是管状的，则可将光纤201与填充材料一同置于空心部分，并固定光纤201。

本发明实施例中，光纤扫描器还可以包括封装壳203和光学镜组204等，图5中一并示出。致动器10连同光纤201一并固定封装于封装壳203中，封装壳203靠近底座202的一端固定在底座上，在封装壳203的出光端，固定有相应的光学镜组204。封装壳203内为密封的纯净空气。工作时，通过给驱动电极施加相应的驱动信号，即可驱动致动器10在相应方向上摆动，并带动光纤201沿设定的扫动轨迹扫描出光，扫描方式包括不限于栅格式扫描、螺旋式扫描、利萨如式扫描等。

前述图2至图4对应的实施例同样适用于本实施例的光纤扫描器，通过前述对光纤扫描器的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中光纤扫描器的实施方式，为了说明书的简洁，在此不再赘述。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种投影设备，该投影设备包括光源和如图5所示光纤扫描器。光源可以是前述的激光器组110，可在调制信号的作用下调制输出待显示图像的光束，图像光束经光纤扫描器扫描出射，从而在投影载体(如幕布或投影屏幕)上形成与待显示图像对应的投影图像，实现图像的投影。

本发明实施例中的投影设备的工作原理前参见前述光纤扫描投影成像系统的内容。同时，前述图2-图5对应的实施例同样适用于本实施例的投影设备，通过前述对光纤扫描器的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中光纤扫描器的实施方式，为了说明书的简洁，在此不再赘述。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明实施例中，致动器在致动部位的基体件内部设置了压电纤维，能有效提高致动器的机械性能、韧性强，使得致动器具有较好的抗断性和抗震性，提升致动器的跌落表现，提高光纤扫描器中致动器的可靠性、抗疲劳特性等，从而保证光纤扫描器驱动控制的精度，有效提高扫描图像的显示质量。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种致动器，其特征在于，包括压电纤维和沿轴线延伸的基体件，所述压电纤维沿所述基体件周向均匀分布，且所述压电纤维沿轴向延伸；

所述致动器还包括驱动电极，设置在所述基体件中与所述压电纤维对应的部分；其中，所述驱动电极包括内电极和与所述内电极配合的外电极，所述内电极沿所述基体件周向设置于所述基体件内部，所述外电极沿所述基体件的周向分离且对称地设置于所述基体件外表面，所述压电纤维处于所述内电极与所述外电极之间。

2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述压电纤维为压电纤维棒。

3.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括由所述基体件沿轴线正方向延伸形成的放大部；在所述轴线方向上，所述放大部的长度大于所述压电纤维部分的长度。

4.如权利要求3所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括基座部，所述基座部由所述基体件沿轴线反向延伸形成。

5.如权利要求4所述的致动器，其特征在于，所述基座部的截面面积大于所述压电纤维所在的基体件的截面面积。

6.如权利要求1-5任一权项所述的致动器，其特征在于，所述基体件的材料为树脂材料。

7.如权利要求6所述的致动器，其特征在于，所述基体件的形状呈柱状或管状。

8.一种光纤扫描器，其特征在于，至少包括光纤、底座和前述权利要求1-7任一项所述的致动器，所述致动器固定在所述底座上，所述光纤固定在所述致动器上，所述光纤超出所述致动器的部分形成光纤悬臂，所述致动器在驱动信号的作用下带动所述光纤按照设定轨迹摆动。

9.一种投影设备，其特征在于，包括光源和如权利要求8所述的光纤扫描器，所述光源用于调制输出待显示图像的光束，所述光束经所述光纤扫描器扫描出射，形成与所述待显示图像对应的投影图像。