CN117555128A - 一种动铁式二维驱动微振镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动铁式二维驱动微振镜,涉及微机电系统技术领域,包括结构部和线圈部,线圈部通电驱动结构部活动;结构部包括固定框架、可动镜面和永磁薄膜,可动镜面活动连接于固定框架内,永磁薄膜设置于可动镜面下方;线圈部包括线圈载体和线圈组,线圈载体设置于固定框架下方,线圈组设置于永磁薄膜下方;其中,永磁薄膜设置有四组,线圈组的数量与永磁薄膜的数量相同。根据本发明的一种动铁式二维驱动微振镜,线圈组通电驱动永磁薄膜位移,从而带动可动镜面往指定方向活动,永磁薄膜体积小,减少热应力,且响应迅速,提高可动镜面运动精度。无快慢轴结构,全局对称结构,优化驱动系统结构,降低加工难度和成本。

Description

一种动铁式二维驱动微振镜
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域,特别涉及一种动铁式二维驱动微振镜。
背景技术
微振镜是基于微纳工艺制备的光学扫描反射镜,在光通信、激光雷达、激光投影、医学成像等领域有广泛应用,主要通过位移反射光的路径。微振镜根据驱动方式分类有静电驱动、电热驱动、压电驱动和电磁驱动。静电驱动结构紧凑,但驱动力小。电热驱动虽然力大,但相应速度慢,不适合高速扫描的应用场景。压电驱动受制于压电薄膜的制备,且所需驱动电压比较大。电磁驱动的力和行程更大,且响应速度快,满足各类应用场景中大镜面、大扫描角的需求。
电磁驱动根据磁体或线圈的固定/运动状态,可分为动铁式和动圈式。由于磁铁体积大、加工难度高,市面所见的振镜几乎采用动圈式。另一方面,影响电磁驱动力的主要因素包括:磁场强度、电流幅值和驱动线圈匝数。在实际设计中,受限于材料性质以及器件尺寸要求,磁场强度往往难以提高,提升驱动电流的幅值可增大电磁驱动力,但也会增大器件的功耗,且驱动线圈发热累积的热量会引起热应力,进而影响动圈运动精度的控制。
中国专利CN 202211054408.8公开一种电磁MEMS微镜;由MEMS结构部与线圈部组成,电磁MEMS微镜在工作时被安置在底座上,且与底座粘接,并设置在固定磁场中,MEMS结构部包括至少一层由单晶硅制成的器件结构层,器件结构层包括可动镜面、第一扭转轴、第二扭转轴、可动框架、固定框架和金属层。
现有动圈式驱动的微振镜由于发热线圈的热应力问题,在长时间工作下容易导致运动变形,运动精度低。并且非对称快慢轴采用大小质量块的结构设计来实现快慢轴的不同驱动频率,导致驱动系统设计复杂。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的“动圈式驱动的微振镜由于发热线圈的热应力问题,在长时间工作下容易导致运动变形,运动精度低。并且非对称快慢轴采用大小质量块的结构设计来实现快慢轴的不同驱动频率,导致驱动系统设计复杂”的技术问题。为此,本发明提出一种动铁式二维驱动微振镜,磁体体积小,热应力小,提升运动精度。对称设计,提升电磁力,优化驱动系统结构,降低加工难度。
根据本发明的一些实施例的一种动铁式二维驱动微振镜,包括结构部和线圈部,所述线圈部通电驱动所述结构部活动;
所述结构部包括固定框架、可动镜面和永磁薄膜,所述可动镜面活动连接于所述固定框架内,所述永磁薄膜设置于所述可动镜面下方;
所述线圈部包括线圈载体和线圈组,所述线圈载体设置于所述固定框架下方,所述线圈组设置于所述永磁薄膜下方;
其中,所述永磁薄膜设置有四组,所述线圈组的数量与所述永磁薄膜的数量相同。
根据本发明的一些实施例,对角线方向的两所述永磁薄膜充磁方向相同,相邻的两所述永磁薄膜充磁方向相反。
根据本发明的一些实施例,所述永磁薄膜的充磁方向垂直于所述可动镜面或所述线圈组。
根据本发明的一些实施例,四组所述永磁薄膜独立设置,四组所述线圈组独立设置,各所述永磁薄膜分别对应一组所述线圈组。
根据本发明的一些实施例,所述线圈组为平面旋转对称结构。
根据本发明的一些实施例,一组所述线圈组至少设置有一面线圈。
根据本发明的一些实施例,所述可动镜面的表面设置有镀铝涂层。
根据本发明的一些实施例,所述可动镜面与所述固定框架之间通过折叠悬臂梁连接,所述折叠悬臂梁用于复位所述可动镜面回到初始位置。
根据本发明的一些实施例,设置有四组所述折叠悬臂梁,分别从四个方向连接所述可动镜面和所述固定框架的内圈。
根据本发明的一些实施例,所述折叠悬臂梁为平面旋转对称结构。
根据本发明的一些实施例的一种动铁式二维驱动微振镜,至少具有如下有益效果:所述线圈组通电驱动所述永磁薄膜位移,从而带动所述可动镜面往指定方向活动,所述永磁薄膜体积小,减少热应力,且响应迅速,提高所述可动镜面运动精度。无快慢轴结构,全局对称结构,优化驱动系统结构,降低加工难度和成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明实施例一种动铁式二维驱动微振镜的分解示意图;
图2为本发明实施例一种动铁式二维驱动微振镜的俯视图;
图3为本发明实施例一种动铁式二维驱动微振镜的立体示意图。
附图标记:
结构部100、固定框架110、可动镜面120、折叠悬臂梁130、永磁薄膜140、线圈部200、线圈载体210、线圈组220。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右、顶、底等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的一种动铁式二维驱动微振镜。
如图1-图3所示,一种动铁式二维驱动微振镜包括结构部100和线圈部200,线圈部200通电驱动结构部100活动。与现有技术不同的是,本实施例通过动铁式驱动结构减少工作热应力,缓解了热应力导致的运动变形,进而提升运动精度。
具体地,结构部100包括固定框架110、可动镜面120和永磁薄膜140。固定框架110的中部镂空,而可动镜面120活动连接在固定框架110内,永磁薄膜140设置在可动镜面120下方,即靠近线圈部200一侧的端面。可动镜面120和永磁薄膜140组成动铁式结构,通过底部的线圈部200来驱动动铁结构运动。
线圈部200包括线圈载体210和线圈组220,线圈载体210设置在固定框架110下方即底部,线圈组220设置在永磁薄膜140下方,而线圈组220布置在线圈载体210上。线圈载体210与固定框架110的相对位置固定,而可动镜面120与固定框架110相对活动。线圈组220通电,电流经过永磁薄膜140的磁场,产生洛伦兹力,由于线圈组220固定在线圈载体210上,永磁薄膜140受作用力产生运动趋势,从而带动可动镜面120活动。
其中,永磁薄膜140设置有四组,线圈组220的数量与永磁薄膜140的数量相同,即一组线圈组220驱动对应的永磁薄膜140。可活动镜面为二维运动,两组永磁薄膜140和线圈组220控制可动镜面120沿X轴往复运动,另外两组永磁薄膜140和线圈组220控制可动镜面120沿Y轴往复运动,从而实现可动镜面120的二维驱动。
与现有技术相比,永磁体采用永磁薄膜140结构,永磁薄膜140克服了动铁结构的磁体体积大的问题,有效缓解了热应力导致的运动变形,进而提高运动精度。采用对称布局结构实现了可动镜面120二维方向的全局对称活动,无快慢轴结构,优化驱动系统结构,控制更简单。
在本发明的一些实施例中,如图1和图3所示,对角线方向的两永磁薄膜140充磁方向相同,相邻的两永磁薄膜140充磁方向相反。具体地,在本实施例中,永磁薄膜140包括四组,环绕可动镜面120的中点分布,各永磁薄膜140的体积和结构相同,采用激光热辅助充磁,有效提升了永磁薄膜140的磁场强度。对角线侧的永磁薄膜140充磁方向相同,同一侧的永磁薄膜140充磁方向相反,使得任意一侧梁永磁薄膜140的磁极相反,对角线侧的永磁薄膜140磁极相同,使可动镜面120的受力平衡,避免可动镜面120偏移,提高运动精度。
如果同侧的永磁薄膜140充磁方向相同,当线圈组220通电时,可动镜面120同侧的永磁薄膜140受力方向处于同一直线,容易使可动镜面120的受力不均匀,影响可动镜面120活动。
在本发明的一些实施例中,如图1和图2所示,永磁薄膜140的充磁方向垂直于可动镜面120或线圈组220。具体地,为了提升可动镜面120的二维方向驱动力且减少可动镜面120其余方向的分力,永磁薄膜140的充磁方向垂直于结构部100和线圈部200。线圈组220通电产生的洛伦兹力方向与可动镜面120的二维活动平面平行,有效提升可动镜面120的驱动力,提高运动精度。
在本发明的一些实施例中,如图1和图3所示,四组永磁薄膜140独立设置,四组线圈组220独立设置,各永磁薄膜140分别对应一组线圈组220。
具体地,永磁薄膜140在可动镜面120的底部分四组设置,每两组对应可动镜面120一个方向的往复驱动。线圈载体210上的线圈组220对应设置有四组,线圈载体210采用PCB板加工,还能够采用微纳工艺加工。四组线圈组220可以设置在一块线圈载体210上或分别设置在独立的线圈载体210上,
本发明对线圈载体210的结构和材质不一一赘述,应理解,在不脱离本发明基本构思的前提下,线圈载体210的结构和材质灵活变换,均应视为在本发明限定的保护范围之内。
在本发明的一些实施例中,如图1-图3所示,线圈组220为平面旋转对称结构。具体地,线圈组220以可动镜面120的中心为旋转中心,旋转角为90°。采用对称结构,与现有快慢轴结构相比,后续的线圈通电控制流程更简单,优化驱动系统结构。
在本发明的一些实施例中,如图1和图3所示,一组线圈组220至少设置有一面线圈。具体地,在本实施例中,每一组线圈组220设置有双面线圈,每一面线圈设置多匝,通过多匝双面线圈的设计,提升洛伦兹力,驱动力更大,提升可动镜面120的运动响应精度。
在本发明的一些实施例中,可动镜面120的表面设置有镀铝涂层。具体地,镀铝涂层能够使可动镜面120的反射面具有更好的反射效果,提升反射能力。本发明对可动镜面120的反射面涂层材质不一一赘述,应理解,在不脱离本发明基本构思的前提下,可动镜面120的反射面涂层材质灵活变换,均应视为在本发明限定的保护范围之内。
在本发明的一些实施例中,如图1-图3所示,可动镜面120与固定框架110之间通过折叠悬臂梁130连接,折叠悬臂梁130用于复位可动镜面120回到初始位置。具体地,折叠悬臂梁130可以采用记忆金属制成,主要起到连接固定框架110和可动部镜面的作用。
在本发明的一些实施例中,如图1-图3所示,设置有四组折叠悬臂梁130,分别从四个方向连接可动镜面120和固定框架110的内圈。具体地,四组折叠悬臂梁130分别从四个方向与可动镜面120连接,对称固定结构,使可动镜面120往任意方向活动后均能够快速复位,优化驱动系统结构,后续运动控制系统调节更方便。
在本发明的一些实施例中,如图1-图3所示,折叠悬臂梁130为平面旋转对称结构。具体地,与线圈组220的布置结构相同,四组折叠悬臂梁130也采用平面旋转对称结构,旋转角90°。
在本发明的一些实施例中,固定框架110的整体尺寸为10cm*10cm,中间的可动镜面120尺寸为5cm*5cm。本发明对固定框架110和可动镜面120的尺寸不一一赘述,应理解,在不脱离本发明基本构思的前提下,固定框架110和可动镜面120的尺寸灵活变换,均应视为在本发明限定的保护范围之内。
本发明的一种动铁式二维驱动微振镜采用对称结构,克服了现有技术双自由度运动的镜面多采用大小质量块的结构设计,产生快慢轴的不同驱动频率,使后续驱动系统更加复杂的问题。无快慢轴全对称式的设计,控制简单,后续运动控制系统调节更方便,有效降低成本。
而动铁式结构的设计解决了动圈发热问题,有效缓解了热应力导致的运动变形,进而提高运动精度。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种动铁式二维驱动微振镜,包括结构部(100)和线圈部(200),所述线圈部(200)通电驱动所述结构部(100)活动;其特征在于:
所述结构部(100)包括固定框架(110)、可动镜面(120)和永磁薄膜(140),所述可动镜面(120)活动连接于所述固定框架(110)内,所述永磁薄膜(140)设置于所述可动镜面(120)下方;
所述线圈部(200)包括线圈载体(210)和线圈组(220),所述线圈载体(210)设置于所述固定框架(110)下方,所述线圈组(220)设置于所述永磁薄膜(140)下方;
其中,所述永磁薄膜(140)设置有四组,所述线圈组(220)的数量与所述永磁薄膜(140)的数量相同。
2.根据权利要求1所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,对角线方向的两所述永磁薄膜(140)充磁方向相同,相邻的两所述永磁薄膜(140)充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,所述永磁薄膜(140)的充磁方向垂直于所述可动镜面(120)或所述线圈组(220)。
4.根据权利要求1所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,四组所述永磁薄膜(140)独立设置,四组所述线圈组(220)独立设置,各所述永磁薄膜(140)分别对应一组所述线圈组(220)。
5.根据权利要求1所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,所述线圈组(220)为平面旋转对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,一组所述线圈组(220)至少设置有一面线圈。
7.根据权利要求1所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,所述可动镜面(120)的表面设置有镀铝涂层。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,所述可动镜面(120)与所述固定框架(110)之间通过折叠悬臂梁(130)连接,所述折叠悬臂梁(130)用于复位所述可动镜面(120)回到初始位置。
9.根据权利要求8所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,设置有四组所述折叠悬臂梁(130),分别从四个方向连接所述可动镜面(120)和所述固定框架(110)的内圈。
10.根据权利要求8所述的一种动铁式二维驱动微振镜,其特征在于,所述折叠悬臂梁(130)为平面旋转对称结构。
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