CN209784655U - 一种扫描致动器、光纤扫描器及投影装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种扫描致动器、光纤扫描器及投影装置，用于降低光纤扫描器中扫描致动器的慢轴的固有频率，增加慢轴的振幅。该扫描致动器包括沿光纤的自由端延伸方向设置的第一致动部及与所述第一致动部连接的第二致动部，所述第一致动部包括固定端及与所述第二致动部连接的连接端，所述连接端的横截面积大于或小于所述固定部的横截面积，且所述第一致动部的固有频率小于所述第二致动部的固有频率。

Description

一种扫描致动器、光纤扫描器及投影装置

技术领域

本实用新型涉及光纤扫描技术领域，尤其涉及一种扫描致动器、光纤扫描器及投影装置。

背景技术

目前，光纤扫描器包括，光源、扫描光纤和致动器。如图1A和图1B所示，扫描光纤110固定于致动器120上；扫描光纤110的A端为出光端，B端连接光源；致动器120包括慢轴121(慢轴的厚度均匀)和快轴122，慢轴121和快轴122固定连接，例如图1A中慢轴121与快轴122直接粘贴固定，图1B中慢轴121与快轴122通过连接件123固定，从而可使慢轴121按Y轴方向以低频f1带动扫描光纤110作扫描运动，快轴122按X轴方向以高频f2带动扫描光纤110作扫描运动。

在扫描过程中，X-Y型的光纤扫描致动器在快轴方向上驱动频率较大，光纤和扫描器可达到共振并实现最大的振动幅度；而在慢轴方向上驱动频率较低，与快轴相比，要低几个数量级，光纤在慢轴方向上不发生共振，对振动幅度几乎没有放大作用，其扫描幅度主要由致动器本身实现，即扫描器慢轴自身的振动，在慢轴上的振幅较小。如此，若要达到期望的振幅，慢轴的共振频率区域需要包含驱动频率，也就需要采用更大的驱动电压来驱动慢轴致动部实现较大的振动幅度，但增大驱动电压会导致驱动电路复杂度增加，成本、功耗都会相应增加。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种扫描致动器、光纤扫描器及投影装置，用于降低光纤扫描器中慢轴致动部的固有频率，增大慢轴的振幅。

为了实现上述实用新型目的，第一方面，本实用新型提供了一种扫描致动器，包括沿光纤的自由端延伸方向设置的第一致动部及与所述第一致动部连接的第二致动部，所述第一致动部包括固定端及与所述第二致动部连接的连接端，所述连接端的横截面积大于或小于所述固定端的横截面积，且所述第一致动部的固有频率小于所述第二致动部的固有频率。

可选的，所述第一致动部的横截面积沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大或减小，和/或，所述第一致动部靠近所述连接端的端部的横截面积沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大或缩小。

可选的，所述第一致动部的厚度沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大或减小，和/或，所述第一致动部靠近所述连接端的端部的厚度沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大。

可选的，所述第一致动部包括介质层和贴附在所述介质层上的压电层，所述介质层和/或所述压电层在所述连接端处对应的横截面积大于或小于在所述固定部处对应的横截面积。

可选的，所述扫描致动器为双压电晶片式压电器件或单压电晶片式压电器件。

可选的，所述介质层为柱状介质层，所述压电层分别设置在所述柱状介质层的外表面相对的两个表面部分；或者，所述柱状介质层沿其轴向均匀分布有多个安装槽，所述压电层的个数与所述安装槽的个数相配合并分别设置于所述安装槽内；其中，所述压电层的厚度或每个安装槽的深度沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大。

可选的，所述第一致动部上设置有至少一个质量块，所述至少一个质量块的材料的密度大于所述第一致动部21本体的密度。

可选的，所述第一致动部与所述第二致动部是固定连接或一体成型的。

第二方面，本实用新型实施例提供一种光纤扫描器，包括如第一方面所述扫描致动器和固定在所述扫描致动器上的光纤，所述光纤的一端超出所述扫描致动器形成光纤悬臂。

第三方面，本实用新型实施例提供一种投影装置，包括如第二方面所述的光纤扫描器。

本实用新型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：

本实用新型实施例中，光纤扫描器中的扫描致动器包括沿光纤的自由端延伸方向设置的第一致动部及与第一致动部连接的第二致动部，第一致动部包括固定端及与第二致动部连接的连接端，连接端的横截面积大于或小于固定部的横截面积，且第一致动部的固有频率小于第二致动部的固有频率，即增大了连接端或固定端的截面面积，等效于第一致动部的悬臂梁附加了额外的重力负载，使第一致动部的固有频率降低到理想状态，有助于扫描致动器中的慢轴在驱动频率下达到共振，从而增大振幅，提高系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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器的结构示意图；

图2A-图2C为本实用新型实施例中光纤扫描器的结构示意图；

图3A-图3D为本实用新型实施例中第一致动部的结构示意图；

图4A-4B为本实用新型实施例中第一致动部的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图2A-图2C为本实用新型实施例提供的光纤扫描器的结构示意图。该光纤扫描器包括扫描致动器20和固定在扫描致动器20上的光纤10；其中，光纤的一端超出扫描致动器的部分形成光纤悬臂；扫描致动器包括沿光纤的自由端延伸方向设置的第一致动部21和第二致动部22，第一致动部包括固定端211及与第二致动部连接的连接端212；其中，扫描致动部中连接端的横截面积大于或小于固定端的横截面积，即增大了连接端或固定端的截面面积，等效于增加了慢轴的负载，从而降低扫描致动器的固有频率，使得第一致动部的固有频率小于第二致动部的固有频率，而无需改变扫描制动器的长度尺寸，有助于光纤扫描器中的慢轴在驱动频率下共振，增大摆幅，同时提高系统的稳定性。

在实际应用中，扫描致动器可以是压电致动器、静电致动器、电磁致动器或MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)致动器等，本文中主要以扫描致动器为压电致动器为例进行说明，即第一致动部21和第二致动部22均包括压电材料本体和用于贴附压电层的介质层。

本实用新型实施例中，光纤固定设置在扫描致动器上，例如固定在扫描致动器的内孔或表面上，如通过粘贴或其它固定方式。光纤在被耦入光源后，可在扫描致动器通电振动时，在扫描致动器的带动下一并振动，从而进行二维扫描，例如以螺旋扫描方式、栅格扫描方式或李萨如扫描方式等进行扫描。

下面，对本实用新型实施例中的扫描驱动器进行介绍。

本实用新型实施例中，扫描致动器包括的第一致动部21和第二致动部22可以通过胶粘、镶嵌固结以及增加固定结构(如连接件)等方式固定连接在一起，或者，扫描致动器也可以是一体成型的。在实际应用中，扫描致动器中的第一致动部21和第二致动部22可以是片状或柱状，或是两者形态的结合，其中柱状包括圆柱状方柱状等，如圆棒(管)、方棒(管)等。图2A和图2C中以扫描驱动器中第一致动部21和第二致动部22是固定连接为例，图2B中以扫描驱动器中第一致动部21和第二致动部22为一体成型为例。

在驱动过程中，扫描致动器可以根据光纤扫描器或扫描系统中的驱动电路发出的驱动信号中的驱动频率，驱动第一致动部21带动第二驱动部在第一方向上振动，同时驱动第二致动部22在第二方向上振动，从而可带动固定在扫描致动器上的光纤悬臂在第一方向和第二方向的合成方向上振动，如栅格扫描，从而出射带有调制信息的激光显现图像。优选的，第一致动部21、第二致动部22可以分别对应于慢轴致动部、快轴致动部，第一方向和第二方向分别为Y方向、X方向。

第一致动部21本体的横截面积可以是沿光纤延伸方向逐渐增大或缩小的，和/或，第一致动部21靠近连接端212的截面面积沿光纤延伸方向逐渐增大或缩小。优选的，第一致动部21或靠近连接端212的横截面积可以是沿光纤延伸方向增大的。需要说明的是，本实用新型实施例中所说的截面面积的“增大”是指在物体的原本截面面积的基础上逐渐增大；“缩小”是指物体的截面面积由大于原本截面面积逐渐缩小到原本截面面积，甚至小于截面面积，只要物体的固有频率小于原本截面面积时的固有频率即可。因此，本实用新型实施例中通过增大第一致动部21中连接端212或固定端211的截面面积，等效给第一致动部21的悬臂梁附加了额外的重力负载，从而将第一致动部21的固有频率降低到理想状态，有助于扫描致动器中的慢轴在驱动频率下达到共振。

在第一致动部21中，连接端212的横截面积大于或小于固定部的横截面积，和/或，第一致动部21靠近连接端212的截面面积沿光纤延伸方向逐渐增大。优选的，连接端212的横截面积大于固定部的横截面积。即，第一致动部21的横截面积可以是沿光纤延伸方向逐渐增大(如图2A)，或第一致动部21靠近连接端212的部分的横截面积沿光纤延伸方向逐渐增大(如图2C)。因此，第一致动部21在光纤延伸方向上的截面的至少一部分呈楔形。本文中所称的固定端211至连接端212的方向与光纤的延伸方向相同，即均指由光纤后端(输入端)至前端(光纤悬臂端)的方向。

具体来说，第一致动部21的横截面积的改变可以是指致动部本体的厚度和/或宽度的改变，即第一致动部21本体的宽度和/或厚度可沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大或减小，或者，第一致动部21的本体靠近连接端212的端部的宽度和/或厚度沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大。其中，致动部的厚度可以是指本体压电材料极化方向上的厚度，宽度可指致动部在与光纤的延伸方向垂直的方向上的长度。

由于在实际应用中，慢轴致动部通常是在压电材料极化方向(例如Y轴方向)上振动，优选的，通过增加慢轴致动部的厚度来增加致动部的负载，从而降低慢轴致动部的固有频率。并且，本实用新型实施例中，在致动部的厚度改变的同时，宽度可保持不变或者也可适当调整，例如在延伸方向上增大或减小，只要最终能满足第一致动部21中连接端212的横截面积大于固定部的横截面积即可，本实用新型实施例对此不作具体限制。

本实用新型实施例中，第一致动部21的本体可包括介质层和贴附在介质层上的压电层；其中，压电层和/或介质层的自身整体或靠近连接端212的部分的横截面积可以被设置为沿光纤的延伸方向逐渐增大或者减小。介质层可以是弹性模量处于[40Gpa，150Gpa]的材料，例如铍青铜、玻纤等材料；第一致动部21可以是单压电晶片式压电器件或双压电晶片式压电器件，即压电层可以贴附在介质层的一个表面，如上/下表面部分，或者，压电层也可贴附在介质层中相对的上下表面部分。

接下来，通过结合实施例和附图说明本实用新型实施例中光纤扫描器中扫描致动器的结构。后续本文中主要以第一致动部21中连接端212的横截面积大于固定端211的横截面积为例，来增大第一致动部21的负载，从而降低第一致动部21的固有频率来进行介绍。

在第1种可能的实施例中，可以通过调整第一致动部21中压电层的尺寸(如厚度)来改变第一致动部21的横截面积，使固定端211的横截面积大于(或小于)连接端212的横截面积，从而降低第一致动部21的固有频率。如图3A和3B所示，第一致动部21的本体包括介质层239和贴附在介质层239上下表面的压电层237和压电层238，图中以第一致动部21为双压电晶片式压电器件为例。图3A中，贴附于介质层下表面的压电层238的厚度(横截面积)被设置成沿光纤的延伸方向逐渐增大；图3B中，压电层238靠近固定端211的部分的厚度(横截面积)沿延伸方向逐渐增大。

在第2种可能的实施例中，调整第一致动部21中介质层的尺寸(如厚度)来改变第一致动部21的横截面积，使固定端211的横截面积大于(或小于)连接端212的横截面积。如图3C和图3D所示，第一致动部21的本体包括介质层339和贴附在介质层339上下表面的压电层337和压电层338，介质层339的横截面积或介质层靠近连接端212的部分的横截面积沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大。其中，图3C所示的第一致动部21中介质层的厚度(横截面积)被设置为沿延伸方向逐渐增大的楔形，图3D所示的介质层靠近连接端212的部分的厚度(横截面积)被设置成沿延伸方向逐渐增大。

在实际应用中，可依据需要的固有频率设置扫描致动器的尺寸(厚度和/宽度)，以使扫描致动器达到该固有频率。本实用新型实施例中通过对扫描致动器的横截面积的调整，来提升光纤致动器中慢轴致动部的重量，实现降低慢轴致动部的固有频率，有助于慢轴致动器在驱动频率下达到共振。图3A-图3D中均以第一致动部21为双压电晶片式压电器件为例，此外，当第一致动部21为单压电晶片式压电器件时同样适用于上述实施方式，此处不再一一介绍。

在第3种可能的实施方式中，光纤扫描器的第一致动部21中可以设置有至少一个质量块，该至少一个质量块采用密度大于第一致动部21本体的密度的材料，从而可进一步增加第一致动部21的负载，降低扫描致动器中慢轴致动部的固有频率，避免过度改变扫描致动器本体尺寸参数而带来的缺陷。

在实际应用中，质量块可以设置在第一致动部21本体的表面。例如，设置于第一致动部21本体外部靠近连接端212的配重块。或者，第一致动部21本体的表面可设置有便于配重块安装的凹槽，以增大质量块材料与第一致动部21本体的连接稳固性。质量块的数量可根据固有频率的调节量来设置。

进一步，在光纤扫描器中扫描致动器为柱形时，第一致动部21的介质层为柱状介质层，例如圆柱形或方柱形的介质层，图4A中以柱状介质层的形状为圆柱为例，图4B为图4A所示的柱形介质层的横截面示意图。图4A中，第一致动部21中介质层的直径(即厚度)可沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大。

在实际应用中，柱状介质层可以是空心结构，也可以是实心结构。作为优选，柱状介质层为空心状结构，有助于进一步提升第一致动部21的摆动幅度。其中，当介质层为空心结构时，也可以理解作柱状介质层的壁厚沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大，和/或，介质层的直径沿固定端211致连接端212的方向增大，使得第一致动部21的横截面积沿光纤的延伸方向增大。

压电层可以分别设置在柱状介质层的外表面相对的两个表面部分；或者，介质层沿其轴向均匀分布有多个安装槽，压电层的个数与安装槽的个数相配合并分别设置于安装槽内，压电层的厚度及每个安装槽的深度沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大。

例如，结合图4A和图4B所示，第一致动部21中柱状介质层323沿其轴向可以均匀布置有四个安装槽，分别为：第一安装槽3231、第二安装槽3232、第三安装槽3233和第四安装槽3234。第一安装槽3231和第三安装槽3233相对设置，第二安装槽3232和第四安装槽3234相对设置。可以理解，第一安装槽3231、第二安装槽3232、第三安装槽3233和第四安装槽3234沿柱状介质层323的轴向圆周阵列设置，并且，每个安装槽沿介质层323的延伸方向可贯穿于圆筒状介质层323的外周壁。其中，每个安装槽的深度沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大。即，第一安装槽3231的靠近固定端211端部的槽口至槽底之间的距离小于第一安装槽3231的靠近连接端212端部的槽口至槽底之间的距离；第二安装槽3232的靠近固定端211端部的槽口至槽底之间的距离小于第二安装槽3232的靠近连接端212端部的槽口至槽底之间的距离；同理，第三安装槽3233和第四安装槽3234的设置方式相同。

同时，扫描致动器的压电层可设置在相应的安装槽中，图4A中仅示出一个安装槽对应的压电层324，结合其截面图图4B所示，压电层324包括第一压电层3241、第二压电层3242、第三压电层3243和第四压电层3244。压电层324的厚度沿固定端211至连接端201的方向逐渐增大，即，第一压电层3241的厚度、第二压电层3242的厚度、第三压电层3243的厚度和第四压电层3244的厚度分别沿固定端211至连接端212的方向逐渐增大。通过这样设置，等效于增大压电器件的负载，从而降低压电器件的固有频率，增大慢轴致动部的摆动幅度，有助于实现投影装置成像清晰。

在驱动扫描致动器时，可以根据第一致动部21对应的振动方向对相应位置的压电片通电。例如，第一致动部21可以是对应于Y轴振动方向，则可以对第一压电层3241和第三压电层3243进行通电，从而在压电效应的作用下，促使第一致动部21在Y轴方向上来回摆动。

需要进一步说明的是，当柱状介质层只在第一安装槽3231和第三安装槽3233分别设置第一压电层3241和第三压电层3243时，扫描致动器即可形成类似于前述的双压电晶片式压电器件。同理，当圆筒状介质层323只在第二安装槽3232和第四安装槽3234分别设置第二压电层3242和第四压电层3244时，扫描致动器也可形成类似于前述实施例中双压电晶片式压电器件。

现有技术中，由于光纤扫描器的慢轴致动部上的驱动频率通常较低，无法使光纤与慢轴致动部达到共振，基本没有振动幅度的放大作用，因此，慢轴致动部本身要实现较大的振动幅度，也需要驱动频率位于其慢轴扫描器共振区间内。但为了将光纤扫描器的长度缩短以减小尺寸，往往其慢轴共振频率难以达到要求，比如几十赫兹，在此规格下，若想慢轴达到相应的摆幅，则需要通过增大驱动电压来实现。但增大驱动电压会导致驱动电路复杂度增加，成本、功耗都会相应增加，同时，较大的驱动电压使得扫描器的响应具有强烈非线性，例如可能在某个电压附近，其幅度及达到饱和，无法继续增大。

而本实用新型实施例中，通过增加光纤扫描器的第一致动部21的横截面积，等效于给第一致动部21悬臂梁附加了额外的重力负载，使第一致动部21的固有频率降低，这样慢轴致动器的固有频率便可以降低到理想状态，从而促使第一致动部21(慢轴)在驱动频率下与光纤达到共振，增大振幅。

进一步，根据固有频率的计算公式其中m代表振动体等效质量，k代表振动体等效刚度，λ代表与各阶固有频率相关的一系列常数(如振动体的尺寸参数等)。由该公式可知，在振动体具有相同材料的情况下，等效质量m增大，会使振动体的固有频率f0降低，而等效质量m减小，会使固有频率f0增大。本实用新型实施例提供的技术方案可在不增大扫描致动器本体长度参数的前提下实现将慢轴致动部的固有频率降低，有助于慢轴致动部在驱动频率下达到共振，增大摆幅。同时，仅需对第一致动部21的横截面积的进行调整，无需增大致动器本体长度，有助于光纤扫描器的小型化。

基于同一构思，本实用新型实施例还提供一种投影装置，该投影装置包括前述的光纤扫描器，以降低光纤扫描器中慢轴的固有频率，促使慢轴达到共振，提高系统的稳定性，从而实现通过光纤扫描器扫描出射待显示图像，提高带显示图像的显示质量。其中，前述图2A至图4B对应的实施例同样适用于本实施例的投影装置，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投影装置的实施方式，为了说明书的简洁，在此不再赘述。

本实用新型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：

本实用新型实施例中，光纤扫描器中的扫描致动器包括沿光纤的自由端延伸方向设置的第一致动部及与第一致动部连接的第二致动部，第一致动部包括固定端及与第二致动部连接的连接端，连接端的横截面积大于或小于固定部的横截面积，且第一致动部的固有频率小于第二致动部的固有频率，即增大了连接端或固定端的截面面积，等效于第一致动部的悬臂梁附加了额外的重力负载，使第一致动部的固有频率降低到理想状态，有助于扫描致动器中的慢轴在驱动频率下达到共振，从而增大振幅，提高系统的稳定性。

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。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型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 (10)

1.一种扫描致动器，其特征在于，包括沿光纤的自由端延伸方向设置的第一致动部及与所述第一致动部连接的第二致动部，所述第一致动部包括固定端及与所述第二致动部连接的连接端，所述连接端的横截面积大于或小于所述固定端的横截面积，且所述第一致动部的固有频率小于所述第二致动部的固有频率。

2.如权利要求1所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一致动部的横截面积沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大或减小，和/或，所述第一致动部靠近所述连接端的端部的横截面积沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大或缩小。

3.如权利要求2所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一致动部的厚度沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大或减小，和/或，所述第一致动部靠近所述连接端的端部的厚度沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大。

4.如权利要求1-3任一权项所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一致动部包括介质层和贴附在所述介质层上的压电层，所述介质层和/或所述压电层在所述连接端处对应的横截面积大于或小于在所述固定端处对应的横截面积。

5.如权利要求4所述的扫描致动器，其特征在于，所述扫描致动器为双压电晶片式压电器件或单压电晶片式压电器件。

6.如权利要求4所述的扫描致动器，其特征在于，所述介质层为柱状介质层，所述压电层分别设置在所述柱状介质层的外表面相对的两个表面部分；或者，所述柱状介质层沿其轴向均匀分布有多个安装槽，所述压电层的个数与所述安装槽的个数相配合并分别设置于所述安装槽内；其中，所述压电层的厚度或每个安装槽的深度沿所述固定端至所述连接端的方向逐渐增大。

7.如权利要求6所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一致动部上设置有至少一个质量块，所述至少一个质量块的材料的密度大于所述第一致动部本体的密度。

8.如权利要求7所述的扫描致动器，其特征在于，所述第一致动部与所述第二致动部是固定连接或一体成型的。

9.一种光纤扫描器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一权项所述扫描致动器和固定在所述扫描致动器上的光纤，所述光纤的一端超出所述扫描致动器形成光纤悬臂。

10.一种投影装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的光纤扫描器。