CN115097624B - 一种基于顶置型动圈式的柔性支撑振镜 - Google Patents

一种基于顶置型动圈式的柔性支撑振镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光探测振镜制造领域，具体涉及一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，包括：底壳、位移检测组件、线圈组件、反射镜组件和导磁组件；位移检测组件、线圈组件、反射镜组件、导磁组件设置于底壳的一侧；线圈组件的底部与底壳底部柔性转动连接，其顶部与反射镜组件底部固定连接，反射镜组件的顶部与底壳顶部柔性连接；导磁组件远离线圈组件的一侧与底壳侧壁固定连接；线圈组件位于导磁组件的内部，在导磁组件带动下以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动反射镜组件转动。通过采用顶置型结构设计以及传感器组件的优化布置方式，传感器设置在反射镜后方，节省高度空间，克服了传统振镜高度过高的问题。

Description

一种基于顶置型动圈式的柔性支撑振镜
技术领域
本发明涉及激光探测振镜制造领域，特别涉及一种基于顶置型动圈式的柔性支撑振镜。
背景技术
振镜系统是一种由驱动板与高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统，主要用于激光打标、激光内雕、激光探测、激光打孔等。激光振镜由X-Y光学扫描头,电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头, 从而在X-Y平面控制激光束的偏转。
传统振镜采用一对音圈电机推拉用于实现一维扫描，由于转动部件转动惯量较大，因此无法实现较高的扫描速度。但是用于扫描补偿应用中，长时间的小范围高速往复运动，会使得轴承寿命很低，很快就发生磨损，从而使系统的精度降低。轴承的耐高低温特性不好。此外，传统振镜的线圈绕制困难，工艺复杂，效率低，填充率低，此外，传统振镜由于传感器及结构配置会导致高度过高的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，通过采用顶置型结构设计以及传感器组件的优化布置方式，传感器设置在反射镜后方，节省高度空间，克服了传统振镜高度过高的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，包括：底壳、位移检测组件、线圈组件、反射镜组件和导磁组件；
所述位移检测组件、所述线圈组件、所述反射镜组件、所述导磁组件设置于所述底壳的一侧；
所述线圈组件的底部与所述底壳底部柔性转动连接，其顶部与所述反射镜组件底部固定连接，所述反射镜组件的顶部与所述底壳顶部柔性连接；
所述导磁组件远离所述线圈组件的一侧与所述底壳侧壁固定连接；
所述线圈组件位于所述导磁组件的内部，在所述导磁组件带动下以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动所述反射镜组件转动。
进一步地，所述线圈组件包括：线圈架和线圈；
所述线圈架顶部与所述反射镜组件底部固定连接，其底部通过第一柔性铰链与所述底壳转动连接；
所述线圈固定设置于所述线圈架内部。
进一步地，所述第一柔性铰链为十字交叉式柔性铰链。
进一步地，所述导磁组件包括：导磁壁、第一磁铁、第二磁铁、导磁块和支撑块；
所述导磁壁为水平设置的U型结构，所述导磁壁U型结构底部远离开口方向的一侧侧壁与所述底壳侧壁固定连接；
所述第一磁铁和所述第二磁铁对称固设于所述导磁壁的U型结构内侧侧壁；
所述导磁块设置于所述第一磁铁和所述第二磁铁的中间位置，所述导磁块位于所述线圈组件内部；
所述支撑块一侧与所述导磁块侧壁固定连接，其另一侧与所述导磁壁U型结构底部固定连接。
进一步地，所述底壳靠近所述导磁壁的一侧设有与所述导磁壁U型结构底部对应的凹槽；
所述导磁壁与所述凹槽固定连接。
进一步地，所述反射镜组件包括：反射镜支架和反射镜；
所述线圈组件顶部设有第一通孔；
所述反射镜固定设置于所述反射镜支架的侧壁；
所述反射镜支架底部设有与所述第一通孔固定连接的支撑柱，所述反射镜支架顶部通过第二柔性铰链与所述底壳侧壁顶部转动连接。
进一步地，所述位移检测组件包括：位移测量传感器单元和传感器驱动板；
所述位移测量传感器单元一端朝向所述反射镜组件靠近所述底壳的一侧侧壁，其另一端与所述底壳靠近所述反射镜组件的一侧侧壁固定连接；
所述位移测量传感器单元与所述传感器驱动板电连接。
进一步地，所述传感器驱动板为竖直方向设置的片状结构电路板；
所述位移测量传感器单元贯穿所述传感器驱动板。
进一步地，所述位移测量传感器单元包括：并列水平设置的第一位移测量传感器和第二位移测量传感器；
所述第一位移测量传感器和所述第二位移测量传感器分别检测所述反射镜组件水平方向两侧的位移距离。
进一步地，所述线圈组件、所述反射镜组件、所述底壳为包络式镂空结构。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过采用顶置型结构设计以及传感器组件的优化布置方式，电磁驱动组件中两块磁铁对称布置，中心轴部分置于导磁块，线圈架设计成镂空框架，运动部件转动惯量低，能够实现较高扫描速度；采用十字交叉式柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性；线圈可采用机器绕制，效率高，填充率高；传感器设置在反射镜后方，节省高度空间，避免传统振镜高度过大的问题。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜的斜轴侧-45°爆炸结构示意图；
图2为本发明公开的一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜的斜轴侧+45°结构爆炸示意图；
图3为本发明公开的一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜正视剖视结构示意图；
图4为本发明公开的一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜俯视剖视结构示意图；
图5为本发明公开的一种顶置型动圈式柔性支撑振镜侧视剖视结构示意图；
图6为本发明公开的一种顶置型动圈式柔性支撑振镜电磁驱动组件俯视磁路示意图。
附图标记：
1、线圈架，2、线圈，31、第一磁铁，32、第二磁铁，4、导磁块，51、第一柔性铰链，52、第二柔性铰链，6、反射镜，7、反射镜支架，8、支撑块，9、导磁壁，10、位移测量传感器单元，11、传感器驱动板，12、底壳；
101a、第一磁铁N极，101b、第一磁铁S极，102a、第二磁铁N极，102b、第二磁铁S极，103a、电流流入方向，103b、电流流出方向。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图1、图2、图3、图4和图5，本发明实施例提供了一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，包括：底壳12、位移检测组件、线圈组件、反射镜组件和导磁组件；位移检测组件、线圈组件、反射镜组件、导磁组件设置于底壳12的一侧；线圈组件的底部与底壳12底部柔性转动连接，其顶部与反射镜组件底部固定连接，反射镜组件的顶部与底壳12顶部柔性连接；导磁组件远离线圈组件的一侧与底壳12侧壁固定连接；线圈组件位于导磁组件的内部，在导磁组件带动下以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动反射镜组件转动。
具体的，线圈组件包括：线圈架1和线圈2；线圈架1顶部与反射镜组件底部固定连接，其底部通过第一柔性铰链51与底壳12转动连接；线圈2固定设置于线圈架1内部。
线圈2可采用机器绕制，效率高，填充率高，适合用于快反镜的扫描补偿，其技术效果在于：保证线圈2的出力效果更佳。
可选的，第一柔性铰链51为十字交叉式柔性铰链。第一柔性铰链51采用相互垂直的弹性片实现绕中心轴旋转，并通过螺栓连接拧紧固定；便于固定十字交叉式柔性铰链的位置，且易于装配。十字交叉式柔性铰链采用相互垂直的弹性片实现反射镜6的既定角度偏转。
十字交叉式柔性铰链常用作电磁驱动的柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性。无润滑剂，可用于真空。实际的振镜中常采用两个十字交叉式柔性支撑组合作为振镜的柔性支撑，单个十字交叉式柔性铰链5的最大转角范围是±15°，一体化柔性支撑设计的最大转角范围是±10°。
进一步的，十字交叉式柔性铰链5可以选用的材料主要有钛合金、铍青铜、不锈钢等。
具体的，导磁组件包括：导磁壁9、第一磁铁31、第二磁铁32、导磁块4和支撑块8；导磁壁9为水平设置的U型结构，导磁壁9U型结构底部远离开口方向的一侧侧壁与底壳12侧壁固定连接；第一磁铁31和第二磁铁32对称固设于导磁壁9的U型结构内侧侧壁；导磁块4设置于第一磁铁31和第二磁铁32的中间位置，导磁块4位于线圈组件内部；支撑块8一侧与导磁块4侧壁固定连接，其另一侧与导磁壁9U型结构底部固定连接。
第一磁铁31和第二磁铁32沿导磁块4对称布置,置于导磁壁9内壁两侧固定连接，使得整个电磁驱动结构更加紧凑，磁通密度更高，实现更高的出力以及速度，从而驱使反射镜6达到任意既定目标角度的偏转。
可选的，底壳12靠近导磁壁9的一侧设有与导磁壁9U型结构底部对应的凹槽；导磁壁9与凹槽固定连接。
具体的，反射镜组件包括：反射镜支架7和反射镜6；线圈组件顶部设有第一通孔；反射镜6固定设置于反射镜支架7的侧壁；反射镜支架7底部设有与第一通孔固定连接的支撑柱，反射镜支架7顶部通过第二柔性铰链52与底壳12侧壁顶部转动连接。
反射镜6与反射镜支架7的分体装配，使得反射镜组件的整体轻量化，即使较小的出力也可以实现既定角度偏转。
具体的，位移检测组件包括：位移测量传感器单元10和传感器驱动板11；位移测量传感器单元10一端朝向反射镜组件靠近底壳12的一侧侧壁，其另一端与底壳12靠近反射镜组件的一侧侧壁固定连接；位移测量传感器单元10与传感器驱动板11电连接。
可选的，传感器驱动板11为竖直方向设置的片状结构电路板；位移测量传感器单元10贯穿传感器驱动板11。
优选的，传感器驱动板11为圆形片状结构电路板。
可选的，位移测量传感器单元10包括：并列水平设置的第一位移测量传感器和第二位移测量传感器；第一位移测量传感器和第二位移测量传感器分别检测反射镜组件水平方向两侧的位移距离。
位移测量传感器单元10设置在反射镜6的后方，对反射镜6的距离进行测量节省高度空间，其技术效果在于:提高测量精度，节省高度空间，从而避免振镜整体高度过大。
具体的，线圈组件、反射镜组件、底壳12为包络式镂空结构，使得整体装置轻量化，节省材料，减少成本。
上述方案中，线圈架1采用镂空式包络结构设计，用来内嵌固定线圈2以及导磁块4，顶端的圆孔部分与反射镜支架7底端的圆柱形凸起相互嵌入形成支撑限位，底端设有柔性铰链孔与十字交叉式柔性铰链配合后并与底壳12相连接。线圈2套在导磁块4上置于线圈架1的框架中心处，支撑块8对其起到支撑作用，线圈2可采用机器绕制，效率高，填充率高。磁铁3沿导磁块4对称布置,置于导磁壁9内壁两侧固定连接。导磁块4置于线圈架1的框架中心处，并通过支撑块8进行轴向压紧固定，用于扩大磁铁吸引力。十字交叉式柔性铰链5有一对，一个置于线圈架1底端的柔性铰链孔中，另一个置于反射镜支架7和底壳12顶端的柔性铰链孔中，且柔性铰链采用相互垂直的弹性片实现绕中心轴旋转，并通过螺栓连接拧紧固定。反射镜6内嵌于反射镜支架7的凹槽镜孔中。反射镜支架7底端设有圆柱形凸起与线圈架1顶端的圆孔相配合起到固定支撑作用，且顶端设有柔性铰链孔与十字交叉式柔性铰链2配合并与底壳12的柔性铰链孔相连接。支撑块8一面与导磁块4进行固定连接，背面与导磁壁9固定连接。导磁壁9内部包络连接电磁驱动组件线圈架1、线圈2、磁铁3、导磁块4、支撑块8，且背面与底壳12相配合连接。位移测量传感器单元10置于反射镜支架7的背面，穿过底壳12的装配孔后与传感器驱动板11相连接，并固定在底壳12上。传感器驱动板11与位移测量传感器单元10相配合连接并固定于底壳12上。底壳12作为整个顶置型动圈式柔性支撑振镜的底座，起到整体框架的包络以及固定支撑作用。
请参照图6，磁路图示为俯视剖视视角，第一磁铁和第二磁铁对称布置，第一磁铁101a处为N极、101b处为S极，第二磁铁102a处为N极、102b处为S极，当通入线圈2电流方向为103a流入、103b流出时，基于洛伦兹力原理，根据左手定则判断出线圈2的受力方向如图中粗箭头方向，即线圈2的出力使得电机可动部分形成偏转力矩，与十字交叉式柔性铰链带动反射镜6一起沿着反射镜支架7中心左、右方向偏摆，磁通密度更高，同等情况下能够实现更高的出力以及更高的速度，驱动反射镜6达到既定角度偏转。
本发明实施例旨在保护一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，具备如下效果：
1、采用顶置型和包络镂空式结构设计，使得振镜整体结构更加紧凑以及轻量化，运动部件转动惯量低。
2、采用磁铁、导磁块、线圈、支撑块、导磁壁构成振镜的电磁驱动部分，磁铁成对沿着导磁块以及凹形导磁壁的中心对称布置，导磁块通过支撑块与导磁壁形成螺栓连接固定，使得整个电磁驱动结构磁通密度更高，同等情况下能够实现更高的出力以及速度。
3、采用十字交叉式柔性铰链作为柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性。无润滑剂，可用于真空，同时转角范围也足够大。
4、振镜使用的线圈可采用机器绕制，绕制效率高，填充率高。
5、采用的位移测量传感器单元设置在反射镜后方，节省高度空间，避免传统振镜高度过大的问题。
6、此款振镜适合用于扫描补偿的快反镜应用，能够适用于高度空间受约束的场合。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，包括：底壳(12)、位移检测组件、线圈组件、反射镜组件和导磁组件；
所述位移检测组件、所述线圈组件、所述反射镜组件、所述导磁组件设置于所述底壳(12)的一侧；
所述线圈组件的底部与所述底壳(12)底部柔性转动连接，其顶部与所述反射镜组件底部固定连接，所述反射镜组件的顶部与所述底壳(12)顶部柔性连接；
所述导磁组件远离所述线圈组件的一侧与所述底壳(12)侧壁固定连接；
所述线圈组件位于所述导磁组件的内部，在所述导磁组件带动下以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动所述反射镜组件转动；
所述导磁组件包括：导磁壁(9)、第一磁铁(31)、第二磁铁(32)、导磁块(4)和支撑块(8)，所述第一磁铁和所述第二磁铁设置于所述线圈组件外部；
所述导磁壁(9)为水平设置的U型结构，所述导磁壁(9)U型结构底部远离开口方向的一侧侧壁与所述底壳(12)侧壁固定连接；
所述第一磁铁(31)和所述第二磁铁(32)对称固设于所述导磁壁(9)的U型结构内侧侧壁；
所述导磁块(4)设置于所述第一磁铁(31)和所述第二磁铁(32)的中间位置，所述导磁块(4)位于所述线圈组件内部；
所述支撑块(8)一侧与所述导磁块(4)侧壁固定连接，其另一侧与所述导磁壁(9)U型结构底部固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述线圈组件包括：线圈架(1)和线圈(2)；
所述线圈架(1)顶部与所述反射镜组件底部固定连接，其底部通过第一柔性铰链(51)与所述底壳(12)转动连接；
所述线圈(2)固定设置于所述线圈架(1)内部。
3.根据权利要求2所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述第一柔性铰链(51)为十字交叉式柔性铰链。
4.根据权利要求1所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述底壳(12)靠近所述导磁壁(9)的一侧设有与所述导磁壁(9)U型结构底部对应的凹槽；
所述导磁壁(9)与所述凹槽固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述反射镜组件包括：反射镜支架(7)和反射镜(6)；
所述线圈组件顶部设有第一通孔；
所述反射镜(6)固定设置于所述反射镜支架(7)的侧壁；
所述反射镜支架(7)底部设有与所述第一通孔固定连接的支撑柱，所述反射镜支架(7)顶部通过第二柔性铰链(52)与所述底壳(12)侧壁顶部转动连接。
6.根据权利要求1所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述位移检测组件包括：位移测量传感器单元(10)和传感器驱动板(11)；
所述位移测量传感器单元(10)一端朝向所述反射镜组件靠近所述底壳(12)的一侧侧壁，其另一端与所述底壳(12)靠近所述反射镜组件的一侧侧壁固定连接；
所述位移测量传感器单元(10)与所述传感器驱动板(11)电连接。
7.根据权利要求6所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述传感器驱动板(11)为竖直方向设置的片状结构电路板；
所述位移测量传感器单元(10)贯穿所述传感器驱动板(11)。
8.根据权利要求6所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述位移测量传感器单元包括：并列水平设置的第一位移测量传感器和第二位移测量传感器；
所述第一位移测量传感器和所述第二位移测量传感器分别检测所述反射镜组件水平方向两侧的位移距离。
9.根据权利要求1-8任一所述的基于顶置型动圈式柔性支撑振镜，其特征在于，
所述线圈组件、所述反射镜组件、所述底壳(12)为包络式镂空结构。
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