CN205583974U - 有限转动机电旋转式致动器及有限转动光扫描仪 - Google Patents

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Abstract

一种有限转动机电旋转式致动器，包括具有大小被设计成容纳转子组件和矩形线圈的开口的定子。转子组件能够在有限转动范围内通过定子双向操作。该转子组件包括输出轴、两极磁体和位置传感器轴，其中，输出轴和位置传感器轴均仅仅刚性地附接至所述磁体的一部分。所述转子组件包括用于允许电线圈穿过的开口。该电线圈在四个侧上围绕磁体延伸并且能够被激励以便向转子提供双向扭矩。所述致动器制造成本低。还提供了一种有限转动光扫描仪。

Description

有限转动机电旋转式致动器及有限转动光扫描仪
技术领域
本实用新型总体上涉及有限转动机电旋转式致动器，特别是在光扫描领域中使用的致动器，以及还涉及有限转动光扫描仪。
背景技术
有限角度的机电旋转式致动器已经存在了几十年。它们使用在各种工业和消费应用中，但是它们在光扫描领域中尤其有用，其中，光学元件附接至致动器的输出轴上，然后以振荡的方式来回地旋转。
例如参照图1所示，通常，为了形成光扫描系统100，将反射镜103附接至旋转式致动器101的输出轴104上。在这个应用中，致动器101/反射镜103的组合可以使光束重定向通过一定角度范围，或重定向照相机的视野，使得其能够观察各种目标。
通常，在光扫描领域中使用的典型机电旋转式致动器是由磁体、钢和绝缘“磁体”导线的线圈的某种组合制成的。这些元件已经以各种方式布置，但是，在过去二十年里，最流行的布置方式是使用简单的两极转子磁体和“无齿”定子的设计，这与无槽/无刷直流或交流同步电机类似，不过，该设计具有更简单的单相线圈布置。
这些致动器中的转子典型地由圆柱形磁体106制成，一根或两根轴104以某种方式或另外的方式附接至该圆柱形磁体上。参照图2、图3和图4，通过举例示出了几种已知的转子组件。
当这种类型的致动器用于光扫描时，一根轴可以附接至反射镜，另一根轴能够与位置传感器一起操作。该转子组件典型地通过滚珠轴承支撑在一侧或两侧上。
回顾已知的致动器技术并参照已知的致动器将有助于读者更好地理解由本实用新型的实施方式所满足的需求。
图5示出了在现有技术的典型传统光扫描仪中出现的转子磁体、定子和线圈的布置的截面图，该定子108基本上为管状，并且由实心片状的磁导材料如冷轧钢制成。对于具有0.120英寸直径的转子磁体106，典型的定子管可以具有0.5英寸(约12.7毫米)的外径和0.196英寸(大约5毫米)的内径。线圈由多匝磁体导线构成，且使用环氧树脂粘接在定子钢管的内壁上。线圈的每侧形成为圆弧，且如本文中所示在定子108的每侧上经常占约90度的圆弧。在转子磁体106的外壁和线圈的内壁之间典型地具有约0.007英寸的间隙，从而允许磁体自由地旋转。继续参照图5，线圈区域标记为“线圈+”109和“线圈-”112，分别表示进入页面的线匝和从页面出来的线匝。附图标记110和111分别表示磁体106的N极和S极。
图6示出了图5中示出的现有技术的传统光扫描仪中出现的磁场线114，该光扫描仪使用了直径磁化的实心圆柱形转子磁体106。可以看到，磁通线必须横跨较大的间隙延伸(“跳跃”)以到达定子钢体。线圈105位于磁体106和定子钢体之间。当线圈105通电时，在线圈105上和磁体106上都施加洛伦兹力。由于线圈105典型地粘接在定子上且因此保持静止，所有的力都被传递给转子磁体106。由于力在磁体106的相对侧上生成，且力为扭矩的形式，致动器形成扭矩并因此形成运动。
图9A示出了一个圆柱形转子磁体106和线圈绕组117。如图所示，磁体106基本上位于线圈105“内部”。位于线圈105外部的钢体没有在图中示出。线圈105包括多匝磁体导线。线圈105的长且直的部分被称为“有效部分”107，因为这是对磁体106贡献扭矩的部分。线圈105的圆形部分被称作“端部线匝”116。该端部线匝116无助于扭矩的产生。它们仅用以将线圈115一侧上的有效部分连接至线圈115另一侧。然而，由电流通过驱动线圈105造成的对驱动线圈的任何加热也在端部线匝116中存在。因此，虽然端部线匝116无助于扭矩的产生，但是端部线匝却导致产生热量、欧姆电阻和电感，所有这些属性都不利于致动器的整体性能。所以，有动机使端部线匝116尽可能地短，以便最小化这些不利影响。
举另一个例子，再次参照图9A，线圈105显示具有在顶部部分106T、底部部分106B、左部分106L和右部分106R上完全围绕磁体106的线圈绕组117。这种线圈布置典型地不用在已知的致动器上，因为如图9A中图解示出的端部线匝将防止轴触及磁体106。而是，参照图9B所示，端部线匝116必须弯曲绕开(更确切地说,“形成”)。当该端部线匝116以这种方式形成时，这典型地允许轴(附接至磁体106)“穿过”端部线匝116，并引起“孔”有效地形成在线圈中。当然，这意味着“端部线匝”116必须制作成不期望地长，以便形成这样的“孔”。如后面将在本实用新型的教导中说明的那样，在本文中通过举例呈现的致动器中消除了这样不期望的特征。
这种传统致动器布置提供了一些所期望的好处。一个好处是由于线圈没有完全围绕封闭钢芯，使得线圈电感较低。恰恰相反，致动器的整个内部是开放的，只包含转子磁体，转子磁体的磁导率与空气的磁导率差不多相同。另一个好处是转子通常不具有“优选的位置”，这意味着一旦转子定位，能量就可以从线圈处移除，且转子将保持在那个位置。对于光扫描应用，这种类型的致动器的性能很好地适用于包括激光打标和一些激光图形投影的应用。
然而，虽然这种传统的致动器结构已经成功地用于光扫描超过二十年了，但是形成线圈并接着将线圈粘接到定子所涉及的成本已经阻止了这种类型的致动器在某些消费级应用中的高度成功，该消费级应用包括购买点展示、3D打印机和某些自动驾驶和辅助驾驶汽车，在这些应用中，低成本是最重要的。
对于其布置如图5所示和端部线匝形成为上文如图9B中所示的这种类型的致动器来说，线圈是制造最难并因此花费最贵的部分，因为理想的是，线圈必须在三个维度缠绕。这种类型的线圈大体上显示在美国专利4,090,112的图2a中(部件50)、美国专利5,313,127的图1中(部件30)、美国专利5,424,632的图8中(部件75)、以及美国专利6,633,101的图4中(部件34和42)。虽然一些图显示了整齐地形成且具有很好的铜垫的所有独立线圈线匝，但是人们知道这种线圈绕组典型地没有这么整齐。由于线圈绕组的三维属性，各个线匝经常有效地争夺空间，线匝相互交叉，因此导致电流密度分布不佳以及线圈线匝之间热量分摊不佳。
然而，一旦形成线圈，将线圈插入定子中就是下一个挑战。由于定子壁与线圈绕组紧密靠近，线圈上的绝缘可能会在插入过程期间被刮擦，导致瞬间或潜在的“线圈-壳体短路(coil-to-case short)”类型的电故障。
对于这种类型的致动器，另一个困难的制作步骤是将线圈粘接至定子壁。热导环氧树脂经常用于将线圈粘接至定子壁的内部，但是经常在粘接时形成气泡，导致热量移除不佳。所需的环氧树脂固化时间带来了另一个挑战。
已知的是，由于缺少某一外部角限制元件，这些典型的致动器可以在定子内自由旋转，并且可以采取任何旋转位置。然而，对于光扫描应用，这是不期望的，因为这些应用只将反射镜运行相对有限的角度范围——通常不超过40度机械峰间值。此外，当一起使用单一线圈和两极磁体时，所需的扭矩不在所有的旋转角度处产生，实际上，在某些角度处根本一点儿也不产生扭矩。由于这些原因，对这种类型的致动器强加外部旋转限制。很多时候，这种限制是由“止动销”强加的，该“止动销”通过其中一个轴驱动，且与外部静止元件接合。这类止动销显示在美国专利5,936,324的图1中(部件编号32)和美国专利5,424,632的图2中(部件编号18)。
当使用止动销时，轴的轴向长度必定延伸以给止动销留出空间。在止动销所在的轴中钻孔。虽然止动销很大程度上填充了该孔，但是止动销没有完全填满该孔。因此，较长的轴加上为止动销所钻的孔的组合使轴变弱，并且不期望地降低了扭转模态和弯曲模态谐振频率。
当将这种类型的传统致动器用于光扫描应用时，形成、插入和保持线圈所涉及的成本提出了对如何能够成本低地制作光扫描仪的真正限制，并且这种限制已经阻碍了某些消费级激光扫描应用的推广。为此，对于机电旋转式致动器具有明显的需求，所述机电旋转式致动器通常提供这种类型的传统致动器在光扫描应用上的所有好处，同时还具有较低的制造成本。
再次参照图7和图8，在美国专利4,319,823中示出的一种已知的致动器设计用于相机快门应用。在这种致动器中，线圈105是矩形的且围绕磁体106，轴104使用中间U形构件附接至轴104。遗憾的是，由于仅使用单一轴104的方式且轴104以这种方式附接至磁体106，这种致动器不能用于高性能光扫描应用，尤其是如果那些应用还需要转子位置信息更是如此。
上述参考的专利公开包括：US4,090,112，Electrically DampedOscillation Motor(电阻尼振荡电机)(显然是第一种“动磁”类型的光扫描仪)；US5,313,127，Moving Magnet Motor(动磁电机)(是动磁类型的致动器)；Montagu的US5,424,632，Moving MagnetOptical Scanner with Novel Rotor Design(带有新颖转子设计的动磁光扫描仪)(是具有止动销的动磁扫描仪和转子组件)；Montagu的US5,936,324，Moving Magnet Scanner(动磁扫描仪)(是采用止动销部件的电机)；Stokes的US6,633,101，Moving magnet Torque Motor(动磁扭矩电机)(是致动器)；US7,365,464，Brown，Composite Rotorand Output Shaft for Galvanometer Motor and Method ofManufacture Thereof(用于电流计马达的复合转子和输出轴及其制造方法)(是类似于Montagu的转子组件方法)；以及Ramon等的US8,569,920，Small Electric Motor(小型电机)(是常用的转子组件和方法)，这些专利公开通过举例呈现，其全部内容通过参考并入本文中。
实用新型内容
与本实用新型的教导相一致，有限转动机电旋转式致动器可以包括定子、在定子内可双向操作的转子组件、以及形状大体为矩形的单一线圈。电线圈在顶部、底部和两侧上围绕转子磁体。
该转子组件可以包括输出轴、直径磁化的实心圆柱形磁体、和位置传感器轴。所述输出轴和位置传感器轴均包括开口，电线圈可以穿过所述开口，同时仍允许转子组件旋转。
一种有限转动机电旋转式致动器，所述致动器包括：定子，所述定子具有大小被设计成用于容纳转子组件和矩形线圈的孔；转子组件，所述转子组件能够在有限转动范围内通过所述定子双向操作，其中，所述转子组件包括输出轴、位置传感器轴、和在输出轴与位置传感器轴之间承载的两极磁体，其中，所述输出轴和所述位置传感器轴刚性地附接至所述磁体的外周部分，并且其中，在所述磁体和所述输出轴之间以及在所述磁体和所述位置传感器轴之间形成开口，所述开口的大小足够用于允许电线圈穿过所述开口；电线圈，所述电线圈在所述磁体的四个侧部上围绕所述磁体延伸，其中，所述电线圈能够被激励以便向所述转子提供双向扭矩；以及电线圈保持器，所述电线圈保持器接收所述电线圈，以便将所述电线圈固定在所述定子的所述孔中。
一种有限转动机电旋转式致动器，所述致动器包括：定子，所述定子具有大小被设计成足够容纳转子组件和矩形线圈的孔；转子组件，所述转子组件能够在有限转动范围内通过所述定子双向操作，其中，所述转子组件包括输出轴、位置传感器轴、和在所述输出轴与所述位置传感器轴之间承载的直径磁化的圆柱形两极磁体，其中，所述输出轴和所述位置传感器轴刚性地附接至所述磁体的至少外部径向表面，所述输出轴具有用于允许电线圈穿过的第一开口，所述位置传感器轴具有用于允许电线圈穿过的第二开口；以及电线圈，所述电线圈围绕所述磁体纵向延伸，其中，所述电线圈固定在所述定子的所述孔内，并且其中，所述电线圈能够被激励以便向所述转子提供双向扭矩。
一种有限转动光扫描仪，所述光扫描仪包括：定子，所述定子具有大小被设计成其中足够容纳转子组件、顶部轴承、底部轴承、矩形线圈和电线圈保持器的孔；转子组件，所述转子组件能够在有限转动范围内围绕纵向轴线在所述孔内双向操作，其中，所述转子组件包括输出轴、位置传感器轴和固定在所述输出轴与所述位置传感器轴之间的直径磁化的圆柱形两极磁体，其中，所述输出轴刚性地附接至所述磁体的第一外周表面且不与所述磁体的接近所述纵向轴线的第一中间部分接触，所述输出轴具有用于允许电线圈穿过的第一开口，其中，所述位置传感器轴刚性地附接至所述磁体的第二外周表面且不与所述磁体的接近所述纵向轴线的第二中间部分接触，所述位置传感器轴具有用于允许电线圈穿过的第二开口，并且其中，所述纵向轴线穿过所述第一开口和所述第二开口；以及电线圈，所述电线圈完全围绕所述磁体纵向延伸并穿过所述第一开口和所述第二开口，其中，所述电线圈固定至所述定子，并且其中，所述电线圈能够被激励以便向所述转子提供双向扭矩；电线圈保持器，所述电线圈保持器将所述电线圈刚性地固定在定子内的适当位置；以及位置传感器，所述位置传感器能够与所述位置传感器轴一起操作。
一种有限转动机电旋转式致动器，所述致动器包括：定子，所述定子具有在其中延伸的孔；直径磁化的圆柱形两极磁体，所述磁体延伸至所述孔中并且能够围绕纵向轴线旋转，其中，所述磁体限定为具有相对的第一轴向端部和第二轴向端部以及围绕所述磁体延伸的外周径向表面；第一轴，所述第一轴通过接近所述磁体的所述第一轴向端部的第一连接件刚性地固定至所述磁体并且能够围绕所述纵向轴线旋转，其中，在所述第一轴的轴向端部和所述磁体的所述第一轴向端部之间形成第一开口；第二轴，所述第二轴通过接近所述第二轴向端部的第二连接件刚性地固定至所述磁体并且能够围绕所述纵向轴线旋转，其中，在所述第二轴的轴向端部和所述磁体的所述第二轴向端部之间形成第二开口；以及矩形环状电线圈，所述电线圈固定在所述孔内，其中，所述电线圈在穿过所述纵向轴线的平面内环绕所述磁体，所述平面穿过所述磁体的相对的第一轴向端部和第二轴向端部以及所述外周径向表面，其中，所述磁体的外周侧与相对的有效线圈部分相互作用，并且其中，所述电线圈的相对的第一端部线匝和第二端部线匝分别被承载在所述第一开口和所述第二开口内，并且其中，通过激励所述电线圈，提供了所述第一连接件和所述第二连接件在相对的有效线圈部分之间的有限转动，从而提供所述磁体的有限转动并向所述第一轴和所述第二轴提供双向扭矩。
附图说明
为了充分理解本实用新型，结合示出本实用新型的各种实施方式的附图参考下面的详细描述，其中：
图1示出了典型光扫描仪，其中，反射镜放置在致动器轴的端部上。
图2示出了如美国专利号5,424,632中描述的一种已知转子组件，其中，两个轴端部附接至套筒，转子磁体包含在该套筒内。
图3示出了如美国专利号6,633,101中描述的另一种已知转子组件，其中，单一轴端部附接至磁体，其中，所述轴端部为完整圆筒形，基本上形成“杯子”，磁体完全插入该“杯子”中。
图4示出了又一种已知转子组件，其中，磁体为管状，该转子组件具有穿过其中的孔，实心轴穿过该孔。
图5示出了在已知致动器中的转子磁体、定子钢体和线圈的设置的布置的横截面图。
图6示出了在使用直径磁化的实心圆柱形磁体的情况下图5示出的布置中的磁场线。
图7和图8示出了如美国专利号4,319,823中描述的已知致动器，该致动器具有磁体和带有端部线匝的线圈绕组。
图9A是围绕圆柱形磁体以一种所需的方式缠绕以避免形成用于接收轴的端部线匝的线圈的图解说明。
图9B示出了圆柱形转子磁体和线圈绕组的另一种布置方式，其中，端部线匝被形成为允许磁体和转子轴穿过。
图10示出了根据本实用新型的教导的致动器的横截面图。
图11示出了图10的实施方式的另一横截面图，其中，该横截面图的平面与图10相比朝向90度。
图12是根据本实用新型的教导的致动器的分解图。
图13是根据本实用新型的教导的能够与图11的致动器一起操作的转子组件的图解说明。
图14示出了根据本实用新型的教导的转子组件的一个实施方式。
图14A是穿过图14的线14A-14A剖取的局部横截面图，通过举例示出了限制在线圈侧之间的区域内的旋转范围。
图15示出了由形成转子组件的方法产生的另一个实施方式。
图16A、图16B和图16C示出了又一个实施方式，其中，转子组件包括在每个端部具有槽口或狭槽的磁体以及具有杯形接合的轴。
图17A和图17B示出了在此作为有槽圆柱形线圈保持器实施的线圈保持器的视图。
图18示出了本实用新型中当转子磁体是直径磁化的实心圆柱形磁体且线圈保持器是由不是用于有效地形成无槽致动器的磁导材料制成的材料构成时的磁场线。
图19示出了本实用新型中当转子磁体是直径磁化的实心圆柱形磁体且线圈保持器由用于有效地形成有槽致动器的磁导材料制成的材料构成时在的磁场线。
相关申请的交互引用
本申请要求享有申请日为2015年2月6日的美国临时申请No.62/112,755的优先权，其全部内容通过参考结合到本文中且为共同拥有。
具体实施方式
现在，将在下文中参照附图更全面地描述本实用新型，在附图中示出了本实用新型的优选实施方式。然而，本实用新型可以许多不同的形式体现，且不应理解为局限于本文中提出的实施方式。相反地，提供这些实施方式使得本公开将是彻底的且完整的并且将充分地将本实用新型的范围传达给本领域技术人员。
首先，参照图10、图11和图12，本实用新型的一个实施方式在此描述为机电有限转动旋转式致动器10。致动器10在本文中以举例的方式描述，其包括致动器本体12，致动器本体12包含定子14，其中，本体可以与定子一体形成。定子14具有在定子中轴向延伸且可以钻入定子中的钻孔或孔16，孔足够大以装配例如转子组件18以及矩形线圈20、顶部轴承22、底部轴承24和线圈保持器26。值得注意的是，在一些实施方式中，顶部轴承22或底部轴承24可以具有大于孔16的总尺寸的外径，因此，孔可以具有更大以容置轴承的部分。如参照图12进一步示出的，可以采用轴承预加载弹簧28。
现参照图13和图14，在此通过举例描述的用于实施方式的转子组件18包括输出轴30、磁体32和位置传感器轴34。输出轴30刚性地连接至磁体32的一部分，优选地主要附接在磁体的外部外周36(即，直径)上。如在此通过举例描述的，轴30包括从轴的本体部分延伸的连接件31。参照图14A，连接件31的尺寸被设计成部分地围绕磁体32的外周表面延伸。位置传感器轴34也在轴向相对的端部上刚性地连接至磁体32的一部分，优选地主要在磁体32的外部外周36上进行附接。如在此通过举例描述的，轴34包括从轴34的本体部分延伸的连接件35。再次参照图14A，本领域技术人员应当理解，现在利用本实用新型的教导，连接件35的尺寸被设计成部分围绕磁体32的外周表面(外周36)延伸，且其大小可以设计为与连接件31一样，以便用于维持所期望的转动范围19。继续参照图14A，转子组件18能够在有限转动范围19内通过定子14双向操作且延伸至孔16中。以在此所述的实施方式为例，有限转动范围19基本将由连接件31和35的弧长确定，使得轴30和34可以在线圈20的相对侧之间旋转，而无需连接件31和35碰撞线圈的相对侧。对于在此参照图14A示出的实施方式，连接件31在相对的有效线圈部分之间旋转。虽然参照图14A通过非限制性的例子示出的连接件31和35形成为单一连续结构，但是现在利用本实用新型的教导，本领域技术人员将想到将单一连接件31和35形成为多个连接件，其中，在多个连接件内的外连接件限定弧长并因此限定有限转动范围19。此外，如再次参照图11和图13所示出的，连接件31和35可以包括连接件对。又另外，虽然所期望的是使连接件31和35实质上接触磁体32的圆柱形外表面时，如在此所描述的实施方式所示出的，但是，本领域技术人员将理解磁体的顶部和底部的一部分可以通过连接件31和35来接触而不偏离本实用新型的本质和教导。线圈与磁体不接触，从而避免了与磁体的摩擦接触。
在图13中所示的实施方式中，磁体32是直径磁化的实心圆柱形两极磁体。虽然具有多种方式来使用磁体形成转子，但是直径磁化的实心圆柱形磁体的使用提供了所期望的好处。一个好处是由磁体产生正弦通量与角度(这里的“角度”是相对于磁体本身的角度)之间的关系曲线。当电流施加于线圈20时，这转而产生致动器10的大致正弦输出扭矩与转子机械角度之间的关系曲线。然而，可以使用其他磁体形状并依然保持在本实用新型的精神和教导内，其他磁体形状包括方形和矩形形状的磁体，只要磁体具有两极布置使得两极与矩形线圈20的有效部分重合即可。又举例来说，再次参照图10，其示出了与磁体32的N极和S极紧密接近的有效线圈部分20R和20L。
在光扫描领域中使用的已知致动器中，轴典型地轴向延伸至转子磁体，从而基本上形成通过磁体轴线的轴的未断开且连续的连接。然而，利用在此通过举例描述的本实用新型的实施方式，转子组件18提供了用于供线圈20穿过的开口40、42，继续参照图13和图14，现参照图15所示，所述开口穿过每个轴30、34，或者可替代地，如图16A、图16B和图16C中所示，所述开口穿过磁体32中的狭槽44、46。开口40、42提供了在轴30、34和线圈20之间以及在线圈20和磁体32之间的自由空间。在在此通过举例描述的实施方式中，所述开口40、42有助于这样的事实，即输出轴30和位置传感器轴34仅附接至磁体32的一部分，且这种附接在磁体32的外表面32L、32R上，因此，轴期望地不接触接近转动纵向轴线33的磁体的顶部表面32T和底部表面32B的中间部分。
进一步强调，对于在此通过举例描述的矩形线圈20，参照在此描述的实施方式，清楚并且期望的是，轴30和34的材料没有接触在纵向轴线处或附近的磁体32的顶部表面32T和底部表面32B，如再次参照图14所示。线圈20的端部线匝也在顶部表面和底部表面处不与磁体32接触。与此相反，在现有技术中典型地，结构元件与磁体的轴线相接触。例如，参照上文所引用的美国专利号4,319,823，U形构件接触磁体的轴线和整个顶部表面。对于其他众所周知的致动器，轴典型地与磁体对准且沿着轴线至少部分地穿过磁体。虽然可以不附接传感器，但是与磁体的接触将典型地用于对准和枢转磁体。
图16A、图16B和图16C示出了根据本实用新型的教导的用于形成转子组件18的替换实施方式。在这个实施方式中，磁体32是直径磁化的圆柱形两极磁体，其具有切入顶部表面32T和底部表面32B的狭槽44、46。输出轴30和位置传感器轴34均在狭槽44、46的外部分处刚性地连接至磁体32。在转子组件18的这个实施方式中，制作轴30、34相对较容易，其具有简单杯状接合区域。值得注意的是，在这个实施方式中，设置开口40、42供线圈20可以穿过的是磁体32。
再次参照图10，可以清楚地看到，在此通过非限制性例子实施为矩形线圈的电线圈20在其顶侧、底侧、左侧和右侧上围绕磁体32。使用上文中创建的术语线圈，线圈20的左侧20L和右侧20R为“有效部分”，线圈20的顶侧20T和底侧20B为“端部线匝”。在此通过举例描述的矩形线圈20能够被激励以便向转子组件18提供双向扭矩。
由于两极磁体32例如与单一电线圈20一起使用，单一电线圈20的有效部分仅位于磁体32的两侧32L和32R上，所以当磁体的N极和S极最接近电线圈的每个有效部分时，出现最大的转子扭矩输出，当磁体的N极和S极相对于线圈的有效部分成90度角度时，出现最小的扭矩(基本上为0)，如继续参照图10所示。
选择线圈32的内部尺寸以提供围绕磁体32的间隙48，该间隙在此称作在磁体和线圈之间的自由空间。间隙48优选为制成尽可能的小，因为当该间隙增加时，线圈区域(可以放置导线线匝以生成扭矩)有效地减少。对于图10和图11中所示的致动器10，围绕磁体32的间隙48一直为约0.006英寸，但是这不应理解为限制。
选择线圈20的外部尺寸使之足够小以装配到定子的孔16中，并且也足够小以与开口40、42合作供线圈穿过，从而最终提供在轴40、42和线圈之间的自由空间。
继续参照图10和图11所示，对于输出轴30和位置传感器轴34两者，在轴30、34和线圈20之间以及在线圈和磁体32之间具有提供自由空间的间隙48。这些自由空间通过供线圈20穿过的开口40、42有效地提供，并且允许转子组件18在有效转动范围内自由旋转。
举例来说，供线圈20穿过的开口40、42与电线圈的厚度一起合作限定致动器10的工作角度范围，因为供线圈穿过的开口必须足够大以允许线圈穿过且同时还允许转子组件18旋转。当供线圈20穿过的开口40、42制作得更大时，转子组件18能够旋转更大的角度范围。然而，增大供线圈20穿过的开口40、42的大小还因此减少了与磁体32保持刚性连接的轴材料的量，从而使整个转子组件18变弱。因此，线圈20的尺寸和供线圈穿过的开口40、42的大小必须根据需要进行权衡以实现所期望的致动器10的有限转动角度和所期望的整个转子组件18的强度和刚性。
继续参照图10和图11，清楚地看到，输出轴30和位置传感器轴34主要在两个位置处附接至磁体32。正如本领域技术人员将理解的那样，附接区域的形状取决于磁体32的形状(即，如果磁体32是圆柱形的或更立方体形的)。如果磁体32是圆柱形的，那么输出轴30和位置传感器轴34优选地在匹配的弧形区域处(主要围绕磁体的外径)附接至磁体32。如果磁体32是立方体形的，那么输出轴30和位置传感器轴34优选地在磁体的两个平坦侧上附接至磁体32。
典型地，输出轴30和位置传感器轴34将使用粘合剂如环氧树脂附接至磁体32。在在此所述的实施例中使用的粘合剂的非限制性例子包括厌氧粘合剂和丙烯腈。又例如，再次参照图11，输出轴30和位置传感器轴34两者主要在磁体的左侧32L和右侧32R上附接至磁体32。在图11中，可以看到，输出轴30和位置传感器轴34没有在磁体的后侧32RR和前侧32F处附接至磁体32。后侧32RR和前侧32F为供线圈20穿过的开口40、42所在的地方。虽然输出轴30和位置传感器轴34没有在所有表面上附接至磁体32，但是转子组件18和组件形成方法对于许多应用足够稳固，包括光扫描应用。实际上，计算机模拟(随后测试)表明这种构造的转子刚性与传统动磁电流计扫描仪一样是所期望的。
为了使矩形线圈20如图10和图11中所示围绕磁体32，这限制了致动器10的组装顺序。为了组装如图10和图11中所示的致动器10的转子组件18，首先将矩形线圈20松弛地围绕磁体32放置，接着将输出轴30和位置传感器轴34附接至磁体(例如，使用环氧树脂)。然后，将转子组件18和线圈20的组合插入定子14的孔16中，并且使用线圈保持器26或线圈保持装置将线圈20保持就位。
然而，这可能会使转子组件18的组装有些复杂。组装人员必须在线圈20松弛地就位的同时设法将输出轴30和位置传感器轴34轴向固定到磁体32上。必须注意确保在矩形线圈20上没有粘合剂(如果使用的话)，从而避免妨碍自由转动。
可替代地，输出轴30和位置传感器轴34可以以其仅附接至磁体32的单一侧而非两侧的方式来实施。这显示在参照图14和图15所示的替换实施方式中。在这些情况下，供线圈20穿过的开口40、42不仅包括在磁体32和线圈之间的自由空间以及在轴30、34和线圈之间的自由空间，还包括完全开放侧，通过该完全开放侧，线圈可以在输出轴30和位置传感器轴34已附接至磁体32之后插入。以非限制性例子来说，图14示出了一个可行的实施方式，在这个实施方式中，输出轴30和位置传感器轴34在相同侧上(此处为在附图中所示的左侧32L)附接至磁体32。正因如此，例如，可以完全形成没有线圈20的转子组件18，然后矩形线圈20可以从右边放置到组件18中。另外，图15示出了另一个可行的实施方式，在这个实施方式中，输出轴30和位置传感器轴34在相对侧上附接至磁体32。在这种情况下，一旦转子组件18完全形成，线圈20可以从顶部或底部引入，然后旋转至所需位置。当然，假设使用相同的粘合剂，在图14和图15中所示的转子组件18可能没有图13、图16A、图16B和图16C中所示的转子组件一样稳固，这是因为与磁体32接触的轴材料较少。因此，在转子刚性/强度和组装的难易/顺序之间存在权衡。
在任何情况下，由于磁体32通过单独的轴30和34支撑在顶部和底部处，在此描述的转子组件18的实施方式实现了一定程度的刚性，已经证明该程度的刚性对于光扫描应用是可以接受的，在图13和图16A-16C中所示的转子组件与传统动磁电流计扫描仪的转子组件一样是所期望的，同时还具有相似的惯性。这是与直觉相反的，因为将开口40、42设置在磁体32和每个轴30、34之间将直觉上倾向于降低刚性。该刚性通过确保在磁体32和输出轴30之间以及磁体和位置传感器轴34之间的接触面积的自由量并且通过围绕磁体的外边缘将磁体固定至每个轴来保持。刚性的保持还由于每个轴30和34直接固定在磁体32上，而不是使用在每个轴和磁体之间的一些介入元件。如上文参照轴30和34的连接件31和35所描述的，使用磁体的材料可以形成相似的连接件31和35，如再次参照图16B所示。
又例如，为了最大化抗疲劳强度同时还不干扰磁体32和线圈20的电路产生的磁通量，输出轴30和位置传感器轴34可以由无磁性不锈钢如等级303制成，但这不意图作为限制。当转子刚性不是最重要的问题时，可以使用甚至包括塑料材料如迭尔林(Delrin)、尼龙或聚醚醚酮(PEEK)的其他材料。
在这个示例性实施方式中，致动器本体12形成为定子14，且为简单的管状形状。为了最大化从致动器10输出的扭矩，定子14由磁导材料制成。将有效工作的一种可能便宜的材料为冷轧钢如1018钢，但是磁性不锈钢也将有效工作，如416或430。当需要最小化位置磁滞(但是定子材料成本更大)，可以使用Carpenter 49镍钢。
可替代地，定子14可以根本不包括任何磁导材料，例如可以由塑料如迭尔林(Delrin)、尼龙或聚醚醚酮(PEEK)制成。当定子14不包括磁导材料时，致动器10将产生相当小的扭矩，也许少于使用磁透材料时的扭矩的一半。然而，矩形线圈20的电感也将相应地减小，因此，对于某些应用，可能期望用非磁导材料制作定子14。
此外，矩形线圈20可以使用各种装置在定子14内保持就位。然而，在图10和图12中举例示出的实施方式中，线圈保持装置、线圈保持器26实施为有槽圆筒形线圈保持器。这可以是管状元件，其内径足够大以供转子组件18穿过，其外径足够小以装配到定子14的孔/钻孔16内。这个管状元件在直径相对侧上具有至少线圈狭槽50，其足够供矩形线圈20滑入并保持就位，如参照图17A和图17B所示。
矩形线圈20也可以使用实施为被有效地切成两半的有槽圆筒形线圈保持器(即，两个半圆筒形线圈保持器)的线圈保持装置在定子14内保持就位。还可以设计将线圈保持就位的其他装置，同时依然保持在本实用新型的范围内。
在一些实施方式中，线圈保持器26可以由非磁导材料如塑料材料(例如，迭尔林(Delrin)、尼龙或聚醚醚酮(PEEK))制成，然而，可以使用许多材料，包括热导塑料以及非磁导金属如铝。值得注意的是，当线圈保持器由导电材料如铝制成时，涡电流可能会在线圈激励期间形成在线圈保持装置中。这些涡电流具有降低表观电感的作用。然而，由于这种线圈保持装置将基本上用作电线圈的“短路线匝”，转子组件转动也将存在一些阻尼。
当线圈保持器26由非磁导材料制成时，致动器10基本上为无槽型致动器，电线圈线匝位于磁体和定子内径之间的气隙中，因此如果使用相似的磁体，则具有与传统光扫描仪如图5和图6中所示的光扫描仪相似的性能。这里，磁性气隙15相对较大。假设磁体32为直径磁化的实心圆柱形磁体，对应于这种构造的磁场线13可以在图18中见到。
在一些实施方式中，线圈保持器26可以由磁导材料制成，如用于定子本体12的相同材料(包括1018钢、416或430不锈钢或Carpenter49)。当线圈保持器26由磁导材料制成时，致动器10基本上为有槽型致动器，电线圈线匝不位于磁体32和定子14的内径之间的气隙15中。在这种情况下，由于磁性气隙15的长度减少，扭矩的产生显著提高。假设磁体32为直径磁化的实心圆柱形磁体，对应于这种构造的磁场线13可以在图19中见到。
如果线圈保持器26的内径以具有简单圆形横截面(除了供线圈装配穿过所需的狭槽50)的方式实现，那么致动器10将具有朝向转动角度范围之外的齿槽效应的强烈趋向。因此，如果线圈保持器由磁导材料制成时，可能需要对线圈保持器的内部横截面“成型”。再次参照图17A和图17B，可以看到这种成型的一个例子。这里，额外狭槽52切入线圈保持器26中。当使用直径磁化的实心圆柱形磁体时以及当在线圈保持器26上的额外狭槽52与用于保持线圈的那些狭槽50大致一样宽时，实质上消除了齿槽效应。这些狭槽50和52还在图19中示出。
虽然在这个示例性实施方式中，定子14与致动器本体12一体形成且由单一材料制成，但是还可以用叠片来形成定子，使用任何已知的制造技术如冲压、激光切割或光蚀刻形状成叠片来进行制造。此外，线圈保持器26还可以与以这种方式制造的定子一体形成，其具有足够大以供线圈20穿过的狭槽。
在定子14中的如上所述的钻孔或这里所述的孔16必须足够大以允许转子组件18与矩形线圈20一起装配。然而，该孔16的尺寸还有效地限定了电线圈20的最大外部尺寸。由于在定子14中的孔16制作得较大，所以具有较大的空间来装配电线圈20上的更多导电材料(即，铜线线匝)。然而，由于孔16制作得较大且电线圈20也制作得较大，所以与磁体32最远(且与定子14中的孔壁最近)的那些导线线匝比与磁体32最近的导线线匝的生产率更低。此外，如果定子14由磁导材料制成，增大定子14中的孔16的尺寸还增大了磁体的通量必须跳跃的气隙(除非使用由磁导材料制成的线圈保持器)。这有效地降低了在磁体和气隙两者中的通量密度，电线圈位于气隙中。
在图10至图14中，位置传感器轴30与输出轴34一起使用用于光扫描应用以具有所期望的位置信息。在这样的情况下，位置传感器组件54(在此大体再次参照图15所示)将紧密接近位置传感器轴使用。参照美国专利号8,508,726(其全部内容通过参考结合在此)，其给出了能够与在此所述的本实用新型的实施方式一起使用的位置传感器组件54的例子。然而，当不需要位置信息或从外部收集位置信息时，位置传感器轴34依然有好处，因为位置传感器轴帮助支撑磁体32并因此提供了额外的横向刚性。
输出轴30可以承载光学元件，如再次参照图1所示的反射镜。光学元件可以包括在光扫描仪中有效使用的反射镜、棱镜或过滤器。
本实用新型的致动器10的一个好处在于，其期望地制造成本更低，且具有潜在的比典型已知致动器更大的电效率。由于线圈20以简单的矩形形状进行制作，线圈可以缠绕在普通线圈绕线机上，线圈绕线机允许高度化的铜垫，同时以十分低的成本生产线圈。然后使用有槽圆筒形线圈保持器26将线圈20保持就位，在一些实施方式中，线圈保持器26可以压配合在适当的位置或甚至可以与定子14一体形成而不是使用粘合剂。
在目前制造的致动器10的一个例子中，性能令人期望地良好，且在目前市场上，基本上与传统动磁电流计的性能具有竞争优势。在致动器10的这个例子中，致动器本体12和定子14使用单片冷轧钢1018形成。致动器本体12的外径为0.5英寸。定子中的孔16为6mm的孔。磁体32由钕铁硼制成并具有0.120英寸的直径和0.315英寸的长度。输出轴30和位置传感器轴34均具有3mm的直径且通过顶部轴承22和底部轴承24支撑，顶部轴承22和底部轴承24也具有6mm的外径，因此它们完全配合在定子中的开口内。轴承预加载弹簧28在底部轴承24上施加约6盎司的力，从而保持轴承22和24内部的滚珠被承坐且预加载。矩形线圈20具有0.132英寸的内径(与磁体最近)和0.224英寸的外径(与定子中的开口最近)，并具有0.070英寸的厚度。线圈20具有100匝的AWG#36导线，其提供约4欧姆的线圈电阻。对于这个致动器10，当线圈保持器26由非磁导材料制成时，扭矩常数为18,000Dyne*CM每安培流经线圈电流。对于致动器10，当线圈保持器26由磁导材料制成并具有0.160英寸的内径时，扭矩常数为23,000Dyne*CM每安培流经线圈电流。在输出轴30和位置传感器轴34中供线圈20穿过的开口40、42的大小被设计成使得转子组件18旋转30度峰间值机械角度。
虽然已经在上文中提供了本实用新型的详细描述和附图，但是可以理解的是本实用新型的范围不由详细描述和附图限制。此外，利用在前文描述和相关附图中给出的教导，本领域技术人员将想到本实用新型的许多修改和其他实施方式。因此，可以理解的是本实用新型不局限于所公开的具体实施方式。

Claims (35)

1.一种有限转动机电旋转式致动器，其特征在于，所述致动器包括：
定子，所述定子具有大小被设计成用于容纳转子组件和矩形线圈的孔；
转子组件，所述转子组件能够在有限转动范围内通过所述定子双向操作，其中，所述转子组件包括输出轴、位置传感器轴、和在输出轴与位置传感器轴之间承载的两极磁体，其中，所述输出轴和所述位置传感器轴刚性地附接至所述磁体的外周部分，并且其中，在所述磁体和所述输出轴之间以及在所述磁体和所述位置传感器轴之间形成开口，所述开口的大小足够用于允许电线圈穿过所述开口；
电线圈，所述电线圈在所述磁体的四个侧部上围绕所述磁体延伸，其中，所述电线圈能够被激励以便向所述转子提供双向扭矩；以及
电线圈保持器，所述电线圈保持器接收所述电线圈，以便将所述电线圈固定在所述定子的所述孔中。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述定子由磁导材料制成。
3.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述定子由非磁导材料制成。
4.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述定子由冷轧钢、磁性不锈钢或镍钢制成。
5.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述定子由聚甲醛树脂或合成聚合物制成。
6.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述电线圈保持器由非磁导材料制成。
7.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述电线圈保持器由磁导材料制成。
8.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述电线圈保持器与所述定子一体形成。
9.一种有限转动机电旋转式致动器，其特征在于，所述致动器包括：
定子，所述定子具有大小被设计成足够容纳转子组件和矩形线圈的孔；
转子组件，所述转子组件能够在有限转动范围内通过所述定子双向操作，其中，所述转子组件包括输出轴、位置传感器轴、和在所述输出轴与所述位置传感器轴之间承载的直径磁化的圆柱形两极磁体，其中，所述输出轴和所述位置传感器轴刚性地附接至所述磁体的至少外部径向表面，所述输出轴具有用于允许电线圈穿过的第一开口，所述位置传感器轴具有用于允许电线圈穿过的第二开口；以及
电线圈，所述电线圈围绕所述磁体纵向延伸，其中，所述电线圈固定在所述定子的所述孔内，并且其中，所述电线圈能够被激励以便向所述转子提供双向扭矩。
10.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述定子由磁导材料制成。
11.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述定子由非磁导材料制成。
12.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述定子由冷轧钢、磁性不锈钢或镍钢制成。
13.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述定子由聚甲醛树脂或合成聚合物制成。
14.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括能够与所述电线圈一起操作的线圈保持器，其中，所述线圈保持器由非磁导材料制成。
15.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括能够与所述电线圈一起操作的线圈保持器，其中，所述线圈保持器由磁导材料制成。
16.根据权利要求9所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括承载所述电线圈的线圈保持器，其中，所述线圈保持器与所述定子一体形成。
17.一种有限转动光扫描仪，其特征在于，所述光扫描仪包括：
定子，所述定子具有大小被设计成其中足够容纳转子组件、顶部轴承、底部轴承、矩形线圈和电线圈保持器的孔；
转子组件，所述转子组件能够在有限转动范围内围绕纵向轴线在所述孔内双向操作，其中，所述转子组件包括输出轴、位置传感器轴和固定在所述输出轴与所述位置传感器轴之间的直径磁化的圆柱形两极磁体，其中，所述输出轴刚性地附接至所述磁体的第一外周表面且不与所述磁体的接近所述纵向轴线的第一中间部分接触，所述输出轴具有用于允许电线圈穿过的第一开口，其中，所述位置传感器轴刚性地附接至所述磁体的第二外周表面且不与所述磁体的接近所述纵向轴线的第二中间部分接触，所述位置传感器轴具有用于允许电线圈穿过的第二开口，并且其中，所述纵向轴线穿过所述第一开口和所述第二开口；以及
电线圈，所述电线圈完全围绕所述磁体纵向延伸并穿过所述第一开口和所述第二开口，其中，所述电线圈固定至所述定子，并且其中，所述电线圈能够被激励以便向所述转子提供双向扭矩；
电线圈保持器，所述电线圈保持器将所述电线圈刚性地固定在定子内的适当位置；以及
位置传感器，所述位置传感器能够与所述位置传感器轴一起操作。
18.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述定子由磁导材料制成。
19.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述定子由非磁导材料制成。
20.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述定子由冷轧钢、磁性不锈钢或镍钢制成。
21.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述定子由聚甲醛树脂或合成聚合物制成。
22.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述电线圈保持器由非磁导材料制成。
23.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述电线圈保持器由磁导材料制成。
24.根据权利要求17所述的光扫描仪，其特征在于，所述电线圈保持器与所述定子一体形成。
25.一种有限转动机电旋转式致动器，其特征在于，所述致动器包括：
定子，所述定子具有在其中延伸的孔；
直径磁化的圆柱形两极磁体，所述磁体延伸至所述孔中并且能够围绕纵向轴线旋转，其中，所述磁体限定为具有相对的第一轴向端部和第二轴向端部以及围绕所述磁体延伸的外周径向表面；
第一轴，所述第一轴通过接近所述磁体的所述第一轴向端部的第一连接件刚性地固定至所述磁体并且能够围绕所述纵向轴线旋转，其中，在所述第一轴的轴向端部和所述磁体的所述第一轴向端部之间形成第一开口；
第二轴，所述第二轴通过接近所述第二轴向端部的第二连接件刚性地固定至所述磁体并且能够围绕所述纵向轴线旋转，其中，在所述第二轴的轴向端部和所述磁体的所述第二轴向端部之间形成第二开口；以及
矩形环状电线圈，所述电线圈固定在所述孔内，其中，所述电线圈在穿过所述纵向轴线的平面内环绕所述磁体，所述平面穿过所述磁体的相对的第一轴向端部和第二轴向端部以及所述外周径向表面，其中，所述磁体的外周侧与相对的有效线圈部分相互作用，并且其中，所述电线圈的相对的第一端部线匝和第二端部线匝分别被承载在所述第一开口和所述第二开口内，并且其中，通过激励所述电线圈，提供了所述第一连接件和所述第二连接件在相对的有效线圈部分之间的有限转动，从而提供所述磁体的有限转动并向所述第一轴和所述第二轴提供双向扭矩。
26.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件分别从所述第一轴和第二轴的本体延伸并且附接至所述磁体的外表面并粘接地附接至所述磁体的外表面。
27.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件中的至少一个包括多个连接件。
28.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述第一开口和所述第二开口提供了在所述第一轴和所述第二轴与所述电线圈之间以及在所述电线圈与所述磁体之间的自由空间。
29.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，在所述电线圈和所述电线圈的内部分之间围绕所述磁体形成间隙。
30.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述第一开口和第二开口形成在所述磁体的相对的第一轴向端部和第二轴向端部内。
31.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括线圈保持器，所述线圈保持器能够与所述定子一起操作，以便将所述电线圈固定至所述定子。
32.根据权利要求31所述的致动器，其特征在于，所述线圈保持器包括管，所述管在所述管的直径上相对的侧上具有足够用于在其中固定所述电线圈的第一狭槽。
33.根据权利要求32所述的致动器，其特征在于，所述线圈保持器还包括第二狭槽，其中，所述第二狭槽与保持所述电线圈的所述第一狭槽一样宽，从而减小齿槽效应。
34.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件在所述磁体的相对侧上附接至所述磁体。
35.根据权利要求25所述的致动器，其特征在于，所述第一连接件包括附接至所述磁体的多个连接件。
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