CN1232860C - 光学元件移动机构 - Google Patents

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Abstract

一种光机装置光学元件的移动机构包括至少一个环绕光学元件的圆对称可弯曲件及使光学元件沿与可弯曲件垂直且通过所述至少一个可弯曲件中心的轴线发生移动的装置。一叠层可有许多可曲件，彼此用隔离件隔开，光学元件装在管状构件内，管状构件由二个隔开的叠层支承。还提供使移动结束时产生的振动获得阻尼的方法。

Description

光学元件移动机构
发明领域
本发明涉及一种光学机械装置的元件移动机构，具体地说，涉及在例如引线焊接机中使用的透镜聚焦操作时的透镜移动机构。
背景技术
引线焊接机以及半导体制造装配工业使用的其它设备，经常将计算机化的观察装置应用于过程的监视和像半导体器件那样的物件的精密准备的定位和定向。这样的观察装置包括光学机械装置，具体说是移动光学元件(如透镜)进行聚焦操作。
光学机械装置中常用可弯曲件来控制光学元件，如反光镜或透镜的聚焦和跟踪(美国专利4927235，5208703，5594820，6064505)。可弯曲件特别适合于其运动轨迹有良好可重复性又无摩擦和磨损的场合。在许多应用中，例如磁盘驱动器，应用了一对如图1所示的平行的扁平可弯曲件。它们准确地模仿典型的四连杆机构。因此，虽然各可弯曲件的自由端沿圆弧运动，但两可弯曲件之间的刚性联接确保自由端实际上不会发生转动。小的位移ΔX可近似获得线性运动，即垂直于总方向的还算小的派生位移ΔZ，但透镜实际上不斜置。
可是在某些场合，如引线焊接机的计算机化观察系统，在整个透镜运动范围内动透镜光轴的方向和位置必须保持在很小公差之内。这种情况下，上述的平行可弯曲件就不适用了。圆对称的可弯曲件不会发生侧向移动，相反，产生绕运动轴的小角位移。这样的可弯曲件已应用于长寿命的压缩机和低温致冷装置中，如在美国专利5351490，5492313，5522214，5647217，5920133，6050556及6129527中的公开。图2示出某些典型结构。它们做成平盘形，厚度为一毫米几分之一。每个圆盘有一定数量的槽(一般为三条，但不全如此)。槽为螺旋形，或直线形或圆环形，或是这几种形状的组合。它们用电火花加工或摄影刻印术或任何一种别的适用方法加工形成，产生多条可弯曲“支臂”，这些支臂提供移动元件所需的力。用这样的可弯曲件能实现极高的径向/轴向刚度比。
应用圆对称可弯曲件的机构，是由利用永久磁铁的无刷直线电动机驱动的。直线电动机可以是单相的(常称为音圈电动机)，也可以是多相的；在结构上可以是任何一种可实现的形状，但最好是圆柱形的。尽管为了充分利用有效空间而采用十分紧凑的结构，但圆柱形的音圈电动机可使驱动力保持与可弯曲圆盘的轴线对准。位置传感器提供位置反馈，使电动机能以闭环伺服方式工作，以便对运动构件上安装的光学部件的轴向位置作十分精确的控制。
与可弯曲支承相关的一个问题是行程结束时出现的自激振动。如果系统没有足够的阻尼则此振动将持续很长时间才会衰减至移动部件的规定物镜可以接受的水平，如本例中移动透镜使所关心的图像聚焦。这样大大减慢了整个操作过程。为了加快对不利振动的衰减，需要在系统中引进某种阻尼措施。
发明内容
因此可见，至少在其较佳形式中，本发明提供一种用可弯曲件支承的使诸如透镜那样的光学部件产生运动的机构，特别适用于引线焊接机，一般也适用于其他机器。这种机构打算完成一透镜相对于另一共轴透镜的直线运动，所获得的装置不用人工干预即可改变光学装置的焦点。本机构的运动部件由一音圈电动机驱动，它是通过下述方法实现的，即有效驱动力名义上与动透镜共轴。
本发明另一目的是提供一种在行程结束时使机构的不利振动阻尼下来的简单方法，以利加快操作。
本发明提供的光学机械装置中光学元件的移动机构，包括环绕该光学元件的至少一个圆对称可弯曲件，以及将此光学元件沿垂直于该可弯曲件且通过所述至少一个可弯曲件中心的轴线方向移动的装置。
最好有一叠层圆对称可弯曲件，有在上述叠层中的各可弯曲件最好用隔离件隔离开。这种隔离件可包括：边缘隔离件，隔开可弯曲件的边缘部分；和中央隔离件，隔开可弯曲件的中央部分。
换言之，本发明提供一种在光学机械系统中的光学元件移动设备，其特征在于：包括与所述光学元件相连的可弯曲件叠层，其中，该可弯曲件叠层包括至少一个圆对称的可弯曲件，多个位于可弯曲件的相对侧平面上、用于覆盖可弯曲件边缘部分的边缘隔离件和多个位于可弯曲件的相对侧平面上、用于覆盖可弯曲件中央部分的中央隔离件，以及用于沿与所述至少一个可弯曲件垂直且通过该可弯曲件中心的轴线移动所述光学元件的装置。
在本发明一较佳实施例中，光学元件安装在两叠层可弯曲件之间，且光学元件的移动轴垂直于叠层并通过叠层中心。
光学元件的移动装置可包括一音圈电动机。
还设置有可提供检测光学元件位置的装置和向该移动装置提供反馈控制的装置。该检测装置可包括线性可调差动式传感器，光学传感器，电容式传感器或电感式传感器。
本发明另一较佳特征是，光学元件可支承在一管状构件内，光学元件与此管状构件一起运动，使管状物件一端伸进固定部件上形成的孔内，孔的内经略大于管状构件的外经，以便在它们之间有一狭的环形通道，从而使光学元件的运动由于空气经此环形通道流入流出该孔而受到阻尼。
本发明另一目的是提供一种在行程结束时使机构的不利振动阻尼下来的简单方法，以利加快操作。
附图说明
现在通过实例并参看附图说明本发明的几个实施例，其中：
图1示出现有技术的实例，它与一对直的平行可弯曲件有关，可作无倾斜的近似直线运动；
图2示出圆对称可弯曲件的三种结构；
图3示出本发明一较佳实施例；
图4a及4b示出一可弯曲件叠层的两个视图，图4d及4e示出和图4c所示可弯曲件一起使用的边缘隔离件及中央隔离件；以及
图5a和5b示出另一可弯曲件叠层的两个视图，而图5d和5e分别示出与图5c所示可弯曲件一起使用的边缘隔离件和中央隔离件。
具体实施方式
参照图3来说明本发明一较佳实施例。
可移动光学元件部件1(以下叫透镜)，适合于粘结在精加工的管状构件2(以下叫管子)的内孔中，管子2利用扁平环形可弯曲件3a的叠层3悬吊在主壳体4上。一般采用二组可弯曲件3a的叠层3，它们隔开一定距离。LVDT(线性可调差动式传感器)7是由定线圈组7a和强磁性的动铁芯7b组成，用作位置传感器。也可用任何其它适合的传感器来代替LVDT，如电容性传感器，电感性传感器或光学传感器。
图4a及4b示出可弯曲件叠层3的二个视图，其组成零件示于图4c，4d和4e。图5a及5b示出另一种可弯曲件叠层3的二个视图，在图5c，5d和5e中示出其组成零件。每种叠层3都由一个或几个用隔离件5，6入放置在其间的可弯曲件3a组成。各边缘隔离件5的形状可盖住可弯曲件3a的固定部分，其上有孔5a可将叠层3固定到主壳体4上。各中央隔离件6有孔6a，与动管2配对，其尺寸可盖住可弯曲件3a的可运动但不弯曲部分。可弯曲圆盘3a的叫做可弯曲支臂的那部分3b不被任何隔离件5，6所盖住，因而能弯曲而产生的要求的轴向运动。在可弯曲件3a中的可弯曲支臂3b与叠层3中别的可弯曲件3a中的可弯曲支臂3b的相互连接，使整个组件产生很大的径向刚度，同时保持相对小的轴向刚度。
再看图3，两可弯曲件叠层被运动部件的音圈9的线圈支架8和定子部件的主架隔开。LVDT7的动铁芯7b通过铁芯支座7c装到动管1上，整个运动组件用螺母10夹紧。确保LVDY铁芯7b在名义上与LVDT线圈组7a共轴。
沿轴向有磁性的永久磁铁11做成圆环形，被粘结以主壳体4中。永久磁铁11用高能量密度的材料制造，如钕铁硼化合物。永磁铁合金的环形磁极片12粘结到磁铁上。主壳体4也用永磁铁合金制造，其作用像外磁极。因此，内磁极片12和主壳体4之间的环形空隙13中有径向磁场。当定位在磁性空隙13适当位置的线圈9通电时，其上产生轴向力。当电流方向相反时，线圈上的力也方向相反。上述的音圈电动机由此被用来使管子2及其中的透镜1运动和定位。另一结构的音圈电动机，即多相直线电动机可用来代替上述音圈电动机。
另一固定的透镜14粘结在透镜支架15中的精加工孔内。透镜支架15的孔的尺寸很精确，因此只要装配准确，动管2可进入其内部而不与其触及。换言之，在动管2的外圆柱表面和静止的透镜支架15的孔的内圆柱表面之间有一10～20微米量级的很小的环形间隙16。这样首先可确保固定的透镜14与动透镜1准确共轴，从而产生正确的光学作用。其次，这样简单的结构还能在系统中引起所希望的阻尼作用。当动管2移向定透镜14时，留在二个透镜1和14之间的空气受压缩。高于大气压力的气压通过动管2和定透镜15之间狭的环形间隙排出空气。空气通道产生的摩擦引起阻尼作用。当动管2离开定透镜14时，留在二个透镜1和14之间的空气膨胀，导致压力下降，迫使周围空气进入二个透镜1和14之间的空间，产生摩擦阻尼，见上述。因此，动管发生任何运动都会引起空气流进或流出封闭在二个透镜1和14之间的空间；产生摩擦阻尼作用的大小与管子运动速度成正比。这样有助于在每一行程结束时加快振动的衰减，减少调整时间，加速操作总时间。
因此可见，至少在其较佳形式中，本发明提供一种用可弯曲件支承的使诸如透镜那样的光学部件产生运动的机构，特别适用于引线焊接机，一般也适用于其他机器。这种机构打算完成一透镜相对于另一共轴透镜的直线运动，所获得的装置不用人工干预即可改变光学装置的焦点。本机构的运动部件由一音圈电动机驱动，它是通过下述方法实现的，即有效驱动力名义上与动透镜共轴。
本发明另一目的是提供一种在行程结束时使机构的不利振动阻尼下来的简单方法，以利加快操作。本发明的主要特点可应用于未包括在此又本发明范围内的各个实施例中。

Claims (10)

1.一种在光学机械系统中的光学元件移动设备，其特征在于：包括与所述光学元件相连的可弯曲件叠层，其中，该可弯曲件叠层包括至少一个圆对称的可弯曲件，多个位于可弯曲件的相对侧平面上、用于覆盖可弯曲件边缘部分的边缘隔离件和多个位于可弯曲件的相对侧平面上、用于覆盖可弯曲件中央部分的中央隔离件，以及用于沿与所述至少一个可弯曲件垂直且通过该可弯曲件中心的轴线移动所述光学元件的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：在可弯曲件叠层中包括多个圆对称可弯曲件。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述每个叠层中的可弯曲件由隔离件隔开。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述隔离件包括：边缘隔离件，用于隔开所述可弯曲件的边缘部分；和中央隔离件，用于隔开所述可弯曲件的中央部分。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述光学元件安装在两个所述可弯曲件叠层之间，以使该叠层在移动所述光学元件装置的相对侧；其中，所述光学元件的移动轴垂直于每个所述叠层且通过叠层中心。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述移动所述光学元件的装置包括一音圈电动机。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括用于检测光学元件位置的装置和向所述移动所述光学元件的装置提供反馈控制的装置。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述检测装置选自线性可调差动式传感器、光学传感器、电容式传感器和电感式传感器。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述光学元件是一透镜，该透镜相对于一固定透镜运动。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述光学元件支承在管状构件内，所述管状构件和光学元件一起运动，其中所述管状构件的一端装进固定部件形成的孔内，所述孔的内经略大于管状构件的外径，以在它们之间形成一条狭窄的环形通道，由此，所述光学元件的运动可通过空气经过所述环形通道的进出运动而受到缓冲。
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