CN210693741U - 受限旋转机电旋转致动器和受限旋转光学扫描器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种受限旋转机电旋转致动器和受限旋转光学扫描器，所述受限旋转机电旋转致动器包括具有开口的定子，该孔口的尺寸适于接纳转子组件和电线圈。转子组件可在受限的旋转范围内与定子双向操作。转子组件包括输出轴和双极磁体以及位置感测轴，其中输出轴和位置感测轴各自刚性地附接至磁体的一部分。转子组件包括允许电线圈通过的孔口。电线圈在四个侧面上围绕磁体延伸并且可激励以向转子提供双向转矩。

Description

受限旋转机电旋转致动器和受限旋转光学扫描器

相关申请的交叉参考

本申请是2018年5月8日提交的美国专利申请序列号15/973,802 的部分继续申请，并要求其权益和优先权，该美国专利申请15/973,802 是2015年8月18日提交的美国专利申请序列号14/829,099的继续申请，并要求其权益和优先权，该美国专利申请14/829,099要求2015 年2月6日提交的美国临时专利申请No.62/112,755的权益和优先权，上述专利申请的公开内容通过引用由此整体并入，并共同拥有。

技术领域

本实用新型总体上涉及受限角度的机电旋转致动器，尤其涉及在光学扫描领域中使用的致动器。

背景技术

受限角度的机电旋转致动器已存在数十年。它们用于各种工业应用和消费者应用，但它们在光学扫描领域特别有用，其中光学元件附接到致动器输出轴，然后以振荡方式来回转动。

例如并且如参考图1所示，通常将镜子附接到旋转致动器的输出轴以便形成光学扫描系统。在该应用中，致动器/镜子组合可以将光束重定向通过一定角度范围，或者重定向相机的视场，以便它可以观察各种目标。

用于光学扫描领域的典型机电旋转致动器通常由磁体、钢和绝缘“磁体”线圈的某种组合制成。这些元件以各种方式排列，但在过去的二十年中，最流行的布置是使用简单的双极转子磁体和“无齿”定子设计，类似于无槽/无刷直流或交流同步电动机，但具有更简单的单相线圈布置。

这些致动器内的转子通常由圆柱形磁体制成，一个或两个轴以一种方式或另一种方式附接到该磁体上。参考图2、3和4以示例的方式示出了几个已知的转子组件。

当这种类型的致动器用于光学扫描时，一个轴可以连接到镜子，另一个轴可以用位置传感器操作。转子组件通常由球轴承支撑在一侧或两侧。

回顾已知的致动器技术并参考已知的致动器以使读者更好地理解本实用新型的实施例所满足的需求将是有帮助的。

图5示出了在现有技术的典型传统光学扫描器中发现的转子磁体、定子和线圈布置的剖视图。定子基本上是管状的并且由诸如冷轧钢的实心导磁材料制成。对于直径为0.120英寸的转子磁体，典型的定子管可具有0.5英寸(约12.7毫米)的外径和0.196英寸(约5毫米) 的内径。线圈由多圈电磁线制成，使用环氧树脂粘接到定子钢管的内壁。线圈的每一侧形成为弧形，通常在定子的每侧上占据大约90度的弧，如本文所示。在转子磁体的外壁和线圈的内壁之间通常存在大约 0.007英寸的间隙，从而允许磁体自由旋转。继续参考图5，线圈区域被指定为“线圈正”和“线圈负”以分别指示转入页面和转出页面。

图6示出了使用实心圆柱径向-磁化转子磁体在如图5所示的现有技术的传统光学扫描器中发现的磁场线。可以看出，磁通线必须在相对大的间隙上延伸(“跳跃”)以到达定子钢。线圈位于磁体和定子钢之间。当线圈通电时，对线圈和磁体施加洛伦兹力。由于线圈通常结合到定子并因此保持静止，所以所有的力都被传递到转子磁体。由于在磁体的相对侧产生力，力呈转矩的形式，致动器产生转矩并因此产生运动。

图9A示出了一个圆柱形转子磁体和线圈绕组。如图所示，磁体基本上位于线圈“内部”。在该图中未示出位于线圈外部的钢。线圈包括多匝磁线。线圈的长而直的部分被称为“有效部分”，因为这是有助于磁体上的转矩的部分。线圈的圆形部分称为“端匝”。端匝对转矩产生没有贡献。它们在此仅用于将线圈一侧的有效部分连接到线圈的另一侧。然而，由电流通过驱动线圈而导致的驱动线圈的任何热量也存在于端匝中。因此，尽管端匝对转矩产生没有贡献，但它们确实有助于热量、欧姆电阻和电感，所有这些属性对整个致动器性能都是有害的。因此，有动力使端匝尽可能短，以便最小化这些不利影响。

通过再次参考图9A的另一示例，示出了线圈，其线圈绕组在顶部、底部、左侧和右侧部分上完全围绕磁体。该线圈布置通常不用于已知的致动器中，因为如图9A中示意性示出的端部匝将防止轴到达磁体。相反，端匝必须弯曲(或者更确切地“形成”)到一边，如参考图9B所示。当以这种方式形成端匝时，这通常允许轴(其附接到磁体)“穿过”端匝并且导致在线圈中有效地形成“孔”。当然，这意味着为了形成这样的“孔”，必须使“端匝”不合需要地更长。如稍后将在本实用新型的教导中说明的，在这里作为示例呈现的致动器中消除了这种不期望的特征。

这种传统的致动器装置提供了一些期望的益处，一个好处是线圈电感较低，这是由于线圈没有完全包围封闭的钢芯。恰恰相反，致动器的整个内部是敞开的，仅包含转子磁体，其磁导率几乎与空气的磁导率相同。另一个好处是转子通常没有“优选位置”，这意味着一旦定位转子，就可以从线圈中移除电源并且转子将保持在该位置。对于光学扫描应用，这种类型的致动器的性能非常适合于包括激光标记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学扫描二十多年，但是形成线圈然后将线圈结合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(包括某些低成本至关重要的买点展示器、3D打印机以及自动驾驶和辅助驾驶汽车)中的成功。

对于其布置如图5所示的致动器类型和如图9B中所示形成的端匝，线圈是制造中最困难且因此成本最高的部件，因为理想地，线圈必须以三维方式缠绕。这种类型的线圈一般显示在美国专利4,090,112 (项目50)的图2a中；美国专利5,313,127(项目30)的图1；美国专利5,424,632(项目75)的图8；美国专利6,633,101(项目34和42) 的图4。尽管一些图示出了所有各个线圈匝整齐地形成并且具有非常好的铜填充，但是通常已知这种线圈绕组不是这么整齐的。由于线圈绕组的3D特性，各个匝数通常有效地竞争空间，各匝相互“交叉”，从而导致次优电流密度分布以及线圈的匝间的次优热量分配。

然而，一旦形成线圈，将其插入定子是下一个挑战。由于定子壁与线圈绕组的紧密接近，在插入过程中线圈上的绝缘体可能被刮擦，导致瞬间或潜在的“线圈到壳体短路”类型的电气故障。

将线圈结合到定子壁是这种类型的致动器的另一个困难的制造步骤。导热环氧树脂通常用于将线圈粘合到定子壁的内部，但是通常在粘合中形成气泡，导致次优的热量移除。所需的环氧树脂固化时间是另一个挑战。

在没有一些外部角度限制元件的情况下，已知这些典型的致动器可以在定子内自由旋转，并且占用任何旋转位置。然而，这对于光学扫描应用是不合需要的，因为这些应用仅在相对受限的角度范围(通常不大于40度的机械峰-峰值)内运行镜子。此外，当单个线圈与双极磁体一起使用时，在所有转动角度下都不会产生期望的转矩，并且实际上在某些角度下根本不产生转矩。由于这些原因，对这种类型的致动器施加外部旋转限制。最常见的是，该限制由“止动销”施加，该“止动销”通过其中一个轴驱动，并且与外部固定元件接合。这种止动销如美国专利5,936,324(项目编号32)的图1和美国专利 5,424,632(项目编号18)的图2所示。

当使用止动销时，必须延长轴的轴向长度以为其腾出空间。在止动销所在的轴上钻一个孔。虽然止动销很大程度上填满了孔，但它并没有完全填满孔。因此，较长的轴加上用于止动销的孔的组合削弱了轴，并且不期望地降低了扭转和弯曲模式的共振频率。

当将这种类型的传统致动器用于光学扫描应用时，形成、插入和保持线圈所涉及的成本对于制造光学扫描仪的成本是多么便宜具有极大的限制，并且这种限制阻止了某些消费级激光扫描应用蓬勃发展。出于这个原因，显然需要一种机电旋转致动器，其通常提供用于光学扫描应用的这种类型的传统致动器的所有优点，同时还具有较低的制造成本。

再次参考图7和8，美国专利4,319,823中所示的一种已知致动器设计用于相机快门应用。在该致动器中，线圈是矩形的并且围绕磁体，并且轴使用中间的U形构件附接到磁体。遗憾的是，由于仅使用单个轴的方式以及轴附接到磁体的方式，该致动器不能用于高性能光学扫描应用，特别是如果这些应用也需要转子位置信息。

上述专利公开包括：US 4,090,112，电阻尼振荡电动机(显然是第一种“移动磁体”型光学扫描器)；US 5,313,127，移动磁体电动机(移动磁体式致动器)；发明人Montagu的US5,424,632，具有新型转子设计的移动磁光学扫描仪(移动磁体扫描仪和具有止动销的转子组件)；发明人Montagu的US 5,936,324，移动磁体扫描仪(使用止动销项目的电动机)；Stokes的US 6,633,101，移动磁体转矩电动机(致动器)；发明人Brown的US 7,365,464，用于电流计电动机的合成转子和输出轴及其制造方法(类似于Montagu的转子组装方法)；以及Ramon 等人的US 8,569,920，小型电动机(通常使用的转子组件和方法)，上述专利公开通过示例的方式呈现，并且在此通过引用以其整体并入本文。

实用新型内容

根据本实用新型的教导，受限旋转的机电旋转致动器可包括：定子，在定子内可双向操作的转子组件，以及形状通常为矩形的单个线圈。电线圈在顶部、底部和两侧包围转子磁体。

转子组件可包括输出轴、实心圆柱径向磁化磁体和位置传感器轴。输出轴和位置传感器轴均包括孔口，电线圈可以穿过该孔口，同时还允许转子组件旋转。

具体地，本实用新型提供一种受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述受限旋转机电旋转致动器包括：限定开口的定子，所述开口的尺寸适于接纳转子组件和电线圈，该开口在其直径相对两侧上具有第一对狭槽，所述狭槽足以将电线圈的一部分固定在其中；转子组件，其能在受限的旋转范围内与定子双向操作，其中转子组件包括输出轴、位置感测轴和在其之间承载的双极磁体，其中输出轴和位置感测轴刚性附接至磁体的周边部分，并且其中在磁体和输出轴之间形成有孔口，并且在磁体和位置感测轴之间，所述孔口具有足够的尺寸以允许电线圈穿过；和电线圈的一部分位于所述第一对狭槽内并且在其四个侧面上围绕磁体延伸，其中电线圈是能激励的，以向转子提供双向转矩。

本实用新型还提供一种受限旋转光学扫描器，其特征在于，所述受限旋转光学扫描器包括：具有开口的定子，所述开口的尺寸足以容纳转子组件和电线圈，所述开口限定相对的第一对狭槽；转子组件，其能在围绕纵向轴线的受限旋转范围内在所述开口内双向操作，其中所述转子组件包括输出轴、位置感测轴和固定在其之间的双极径向磁化圆柱形磁体，其中输出轴刚性地附接至磁体的第一周边表面并且不与靠近纵向轴线的磁体的第一中心部分接触，所述输出轴具有允许电线圈穿过的第一孔口，其中位置感测轴刚性地附接到磁体的第二周边表面并且不与靠近纵向轴线的磁体的第二中心部分接触，所述位置感测轴具有允许电线圈穿过的第二孔口，并且其中所述纵向轴线穿过通过第一孔口和第二孔口；所述电线圈围绕磁体纵向延伸并穿过所述孔口，其中电线圈的一部分位于所述第一对狭槽内，并且其中电线圈是能激励的，以向转子提供双向转矩；和位置传感器，其能与位置感测轴一起操作。

本实用新型还提供一种受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述受限旋转机电旋转致动器包括：定子，其具有在其中延伸的开口，其中所述开口的一部分限定相对的第一对狭槽；两极径向磁化的磁体，其延伸到所述开口中并能绕纵向轴线旋转，其中所述磁体具有相对的第一轴向端和第二轴向端以及在其周围延伸的周边径向表面；第一轴，其在磁体的第一轴向端附近通过第一连接器固定至所述磁体并能绕纵向轴线旋转，其中在第一轴的轴向端和磁体的第一轴向端之间形成有第一孔口；第二轴，其在第二轴向端附近通过第二连接器固定至磁体并能绕纵向轴线旋转，其中在第二轴的轴向端和磁体的第二轴向端之间形成有第二孔口；固定在所述第一对狭槽内的电线圈，其中电线圈在穿过所述纵向轴线的平面内围绕所述磁体，所述平面穿过所述磁体的相对的第一端部和第二端部以及所述周边径向表面，其中所述磁体的周边侧与相对的有效线圈部分相互作用，并且其中所述线圈的相对的第一端匝和第二端匝分别承载在第一孔口和第二孔口内，并且其中激励所述线圈提供相对的有效线圈部分之间的第一连接器和第二连接器的受限旋转，因而提供所述磁体的受限旋转并向所述轴提供双向转矩。

附图说明

为了更全面地理解本实用新型，以下结合附图示出的本实用新型的各种实施例详细描述本实用新型，其中：

图1示出了典型的光学扫描仪，其中镜子放置在致动器轴的一端上；

图2示出了一种已知的转子组件，如美国专利No.5,424,632中所述，其中两个轴端附接到套筒上，转子磁体容纳在套筒内；

图3示出了另一种类型的已知转子组件，如美国专利No.6,633,101 中所述，其中单个轴端附接到磁体，并且其中轴端完全是圆柱形的，基本上形成“杯状体”，磁体完全插入该杯状体中；

图4示出了另一种类型的已知转子组件，其中磁体是管状的，具有穿过磁体的孔，实心轴穿过该孔；

图5示出了位于已知致动器中的转子磁体、定子钢和线圈的布置的剖视图；

图6示出了使用实心圆柱径向磁化磁体的情况下图5所示布置中的磁场线；

图7和图8示出了美国专利No.4,319,823中描述的已知致动器，其具有带端匝的磁体和线圈绕组；

图9A是围绕圆柱形磁体缠绕的线圈的示意图，是避免必须形成用于接收轴的端匝的一种理想方式；

图9B示出了圆柱形转子磁体和线圈绕组的另一种布置，其中形成端匝以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剖视图；

图11示出了图10的实施例的另一截面图，其中在截面图的平面中定向成与图10相比成90度；

图12是根据本实用新型的教导的致动器的分解视图；

图13是根据本实用新型的教导的可与图11的致动器一起操作的转子组件的示意图；

图14A示出了根据本实用新型的教导的转子组件的一个实施例；

图14B是通过图14A的线14B-14B截取的局部剖视图，以示例的方式示出了限制在线圈侧之间的区域内的转动范围；

图15示出了由形成转子组件的方法产生的另一个实施例；

图16A、图16B和图16C示出了又一个实施例，其中转子组件包括在每个端部上具有凹口或槽的磁体和具有杯型接合部的轴；

图17A和图17B示出了线圈顶部支架的视图；

图18示出了当转子磁体是实心的圆柱形径向磁化磁体并且定子由导磁材料制成时本实用新型中的磁场线，定子的横截面形状有效地形成开槽致动器；和

图19示出了当转子磁体是实心的圆柱形径向磁化磁体并且定子由导磁材料制成时本实用新型中的磁场线，定子的横截面形状有效地形成开槽致动器，该开槽致动器具有额外的槽，以基本上消除齿槽效应。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本实用新型，附图中示出了本实用新型的优选实施例。然而，本实用新型可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为受限于本文提出的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开彻底和完整，并且向本领域技术人员充分传达本实用新型的范围。

首先参考图10、图11、图12，本实用新型的一个实施例本文描述为机电的、受限旋转的旋转致动器10。本文通过示例描述的致动器 10包括致动器主体12，致动器主体12包含定子14，其中主体可以与定子一体形成。定子14具有可以形成在定子中、在定子中轴向延伸的开口16，开口足够大以装配转子组件18以及矩形线圈20。例如，开口还可以容纳底部轴承24。注意，在一些实施例中，顶部轴承22或底部轴承24可以具有大于开口16的总尺寸的外直径，因此，开口可以具有更大的部分以容纳轴承。如参考图12进一步示出的，可以采用轴承预加载弹簧28。

现在参考图13和图14A，用于本文通过示例描述的实施例的转子组件18包括输出轴30、磁体32和位置传感器轴34。输出轴30刚性地连接到磁体32的一部分，优选地大部分附接在磁体的外周边36(即，直径)上。如本文通过示例描述的，输出轴30包括从轴的主体部分延伸的连接器31。参考图14B，连接器31的尺寸被设计成部分地围绕磁体32的周边表面延伸。位置传感器轴34在轴向的相对端38上也刚性地连接到磁体32的一部分，优选地大部分附接地存在于磁体32的外周边36上。本文通过示例描述的位置传感器轴34包括从位置传感器轴34的主体部分延伸的连接器35。再次参考图14B，现在受益于本实用新型教导的本领域技术人员应理解的是，连接器35的尺寸被设计成部分地围绕磁体32的周边表面(周边36)延伸，并且尺寸可以设计成如连接器31的尺寸那样，用于保持期望的旋转范围19。继续参考图14B，转子组件18可在定子14的受限旋转范围19上双向操作，并延伸到孔16中。作为本文描述的实施例的示例，受限的旋转范围 19通常由连接器31、35的弧长确定，使得输出轴30、位置传感器轴 34可在连接器31、35不会撞击线圈的相对侧的情况下在线圈20的相对侧之间旋转。对于本文参照图14B所示的实施例，连接器31在相对的有源线圈部分之间旋转。虽然通过非限制性示例参考图14B示出的连接器31、35形成为单个连续结构，但是，现在受益于本实用新型教导的本领域技术人员将想到将单个连接器31、35形成为多个连接器，其中多个连接器内的外部连接器限定所述弧长，从而限定旋转的受限范围19。此外，如再次参考图11和图13所示的，连接器31、35可包括连接器对。另外，虽然期望如本文描述的实施例所示的使连接器 31、35基本上接触磁体32的外圆柱形表面，但是，本领域技术人员应理解的是，磁体的顶部和底部的一部分可以被连接器31、35接触，而不脱离本实用新型的实质和教导。线圈不与磁体接触，因此避免与其摩擦接触。

在图13所示的实施例中，磁体32是一个两极式、实心圆柱形径向磁化的磁体。尽管有几种使用磁体形成转子的方法，但是使用实心圆柱形径向磁化的磁体提供了期望的益处。一个益处是由磁体产生正弦通量与角度(本文，相对于磁体本身的“角度”)关系曲线。这继而在将电流施加到线圈20时产生致动器10的近似正弦输出转矩与转子机械角度关系曲线。然而，可以使用其他磁体形状并且仍然保持在本实用新型的精神和教导内，包括方形和矩形磁体，只要磁体的两个磁极布置成使得它们与矩形线圈20的有效部分一致。作为另一个示例，再次参考图10，示出紧邻磁体32的北极和南极的有源线圈部分20R 和20L。

在光学扫描领域中使用的已知致动器中，轴通常轴向地穿过转子磁体，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器。然而，对于本文通过示例描述的本实用新型的实施例，转子组件18 提供用于线圈20穿过的孔口40、42，孔口穿过每根输出轴30、位置传感器轴34(如继续参考图13和图14A所示的，现在参考图15)或者可替代地穿过磁体32中的槽44、46(如图16A、图16B和图16C 所示)。孔口40、42在输出轴30、位置传感器轴34和线圈20之间以及在线圈20和磁体32之间提供自由空间。在本文通过示例描述的实施例中，通过以下事实实现孔口40、42：输出轴30和位置传感器轴34仅附接至磁体32的一部分，并且例如附接至磁体32的外表面 32L、32R，因此轴令人期望地在纵向旋转轴线33附近不接触磁体的顶部表面32T和底部表面32B的中心部分。

进一步强调地，对于矩形线圈20，如本文通过示例的方式描述的，参考本文描述的实施例，显然并且令人期望的是，输出轴30、位置传感器轴34的材料在纵向轴线处或附近不接触磁体32的顶部表面32T 和底部表面32B，如再次参考图14A所示。线圈20的端匝在顶表面和底表面处与磁体32也不接触。相对照地，通常在本领域中，结构元件与磁体的轴线接触。作为示例，参考上面引用的美国专利 No.4,319,823，U形构件接触磁体的轴线和整个顶表面。对于其他众所周知的致动器，轴通常与磁体对齐并且沿其轴线至少部分地穿过磁体。虽然传感器可以不与磁体附接、接触，但是其通常用于对准和枢转磁体。

图16A、16B和16C示出了根据本实用新型的教导的用于形成转子组件18的可替代实施例。在该实施例中，磁体32是两极式、圆柱形径向磁化的磁体，在44、46处切出顶部部分和底部部分32T、32B。输出轴30和位置传感器轴34均在槽44,46的外部部分处刚性地连接到磁体32。在转子组件18的该实施例中，输出轴30、位置传感器轴 34相对更容易制造，具有简单的杯状的接合区域。注意，在该实施例中，是磁体32提供线圈20可以穿过的孔口40、42。

再次参考图10，可以清楚地看到的是，通过非限制性示例，本文体现为矩形线圈的电线圈20在其顶侧、底侧、左侧和右侧围绕磁体 32。使用上面建立的线圈术语，线圈20的左侧20L和右侧20R是“有源部分”，并且线圈20的顶侧20T和底侧20B是“端匝”。本文通过示例描述的矩形线圈20是可激励的，用于向转子组件18提供双向转矩。

例如，由于使用双极磁体32连同单个电线圈20，该电线圈的有源部分仅位于磁体32的两侧32L、32R上，当磁体的北极和南极最靠近电线圈的每个有效部分时，发生最大转子转矩输出，当磁体的北极和南极与线圈的有效部分成90度角时，发生最小(基本为零)的转矩，如继续参考图10所示。

选择线圈32的内部尺寸以在磁体32周围提供间隙48，本文称为磁体和线圈之间的自由空间。该间隙48优选地尽可能小地形成，因为随着该间隙增加，线圈面积(可以放置以产生转矩的线圈匝)有效地减小。对于图10和图11中所示的致动器10，该间隙48完全围绕磁体32为约0.006英寸，但这不应被解释为一种限制。

线圈20的外部尺寸被选择为足够小以装配到定子中的孔16中，并且还足够小以与孔口40、42一起工作以使线圈穿过，从而最终提供轴40、42和线圈之间的自由空间。

如继续参考图10和图11所示的，对于输出轴30和位置传感器轴 34，存在间隙48，该间隙提供输出轴30、位置传感器轴34和线圈20 之间的自由空间，并且还提供线圈和磁体32之间的自由空间。这些自由空间由孔口40、42有效地提供，以使线圈20通过，并且允许转子组件18在受限的旋转范围内自由旋转。

例如，线圈20穿过的孔口40、42和电线圈的厚度一起起作用来限定致动器10的操作角度范围，这是因为线圈穿过的孔口必须是足够大以允许线圈通过同时还允许转子组件18旋转。由于用于线圈20穿过的孔口40、42形成得较大，转子组件18能够旋转通过更大的角度范围。然而，增加用于线圈20穿过的孔口40、42的尺寸也因此减小与磁体32保持刚性连接的轴材料的量，从而使整个转子组件18较弱。因此，线圈20的尺寸和用于线圈穿过的孔口40、42的大小必须根据需要进行权衡，以实现致动器10的期望的受限旋转角度、整个转子组件18的期望的强度和刚度。

继续参考图10和图11，清楚地示出了输出轴30和位置传感器轴 34主要在两个位置处附接到磁体32。如本领域技术人员应理解的，附接区域的形状取决于磁体32的形状(即，如果它是圆柱形或更为立方形)。如果磁体32是圆柱形的，则输出轴30和位置传感器轴34优选地在匹配的弧形区域处附接到磁体32，主要围绕磁体的外直径。如果磁体32是立方形的，则输出轴30和位置传感器轴34优选地在磁体的两个平坦侧面上附接到磁体32。

通常，输出轴30和位置传感器轴34将使用诸如环氧树脂的粘合剂附接到磁体32。作为非限制性实例，本文描述的实施例中使用的粘合剂包括厌氧粘合剂和氰基丙烯酸盐粘合剂。通过再次参考图11的另一示例，输出轴30和位置传感器轴34都主要在磁体的左侧32L和右侧32R上附接到磁体32。在图10中，可以看出输出轴30和位置传感器轴34在磁体的后侧32RR或前侧32F处没有附接到磁体32。后侧 32RR和前侧32F是用于线圈20穿过的孔口40、42所在的位置。尽管输出轴30和位置传感器轴34并未在所有表面上附接到磁体32，但是该转子组件18和组件形成方法对于包括光学扫描在内的许多应用而言足够强。事实上，随后进行测试的计算机模拟表明，这种构造的转子刚度与传统的移动磁体电流计扫描仪一样理想。

为了使矩形线圈20围绕磁体32(如图10和图11所示)，这对致动器10的组装顺序施加了限制。为了组装图10和图11所示的致动器10的转子组件18，首先将矩形线圈20松散地放置在磁体32周围，然后将输出轴30和位置传感器轴34附接到该磁体上(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的开口16 中，并且使用定子14中的狭槽50将线圈20保持就位，并且可以使用环氧树脂将所述线圈进一步固定。除了固定顶部轴承22之外，线圈顶部保持器26还辅助线圈对准，并提供额外的支撑。

然而，这可能使转子组件18的组装有些复杂。在线圈20松散地就位的同时，组装者必须操作将输出轴30和位置传感器轴34轴向地固定到磁体32上。必须注意以便确保没有粘合剂(如果使用的话)落在矩形线圈20上，从而避免对自由旋转的妨碍。

作为替代方案，输出轴30和位置传感器轴34可以被实施成使得它们仅附接到磁体32的单侧而非两侧。这在参考图14A和图15所示的替代实施例中示出。在这些情况下，用于让线圈20穿过的孔口40、 42不仅包括磁体32和线圈之间的自由空间以及输出轴30、位置传感器轴34和线圈之间的自由空间，还包括完全开放的侧部，通过所述侧部可以在输出轴30和位置传感器轴34已经附接到磁体32之后插入线圈。通过非限制性示例，图14A示出了其中输出轴30和位置传感器轴34在同一侧部上(这里是在左侧部32L上)被附接到磁体32的一个可能的实施例。因此，转子组件18可以在没有线圈20的情况下完全形成，然后例如矩形线圈20可以从右侧放置到组件18中。此外，图15示出了另一个可能的实施例，其中输出轴30和位置传感器轴34 在相对的两侧上被附接到磁体32。在这种情况下，一旦转子组件18 完全形成，就可以从顶部或底部带入线圈20，然后将所述线圈旋转到位。当然，假设使用类似的粘合剂，图14A和图15中所示的转子组件18可能不会如图13、图16A、图16B和图16C中所示的转子组件那么坚固，因为与磁体32接触的轴材料较少。因此，在转子刚度/强度和组装的简易性/顺序之间存在权衡。

在任何情况下，由于磁体32在顶部和底部处被单独的输出轴30、位置传感器轴34所支撑，因此本文所述的转子组件18的实施例达到了这样的刚度水平，该刚度水平已被证明对于光学扫描应用是可接受的，其中在图13和图16A-图16C中所示的转子组件与传统的移动磁体电流计扫描仪的转子组件一样理想，同时也具有相似的惯性。这是与直觉相反的，因为在磁体32和每个输出轴30、位置传感器轴34之间布置孔口40、42在直觉上倾向于降低刚度。通过确保磁体32和输出轴30之间的以及该磁体和位置传感器轴34之间的接触面积的自由量，并且通过将磁体固定到围绕磁体的外周的每个轴来保持刚度。由于每个输出轴30、位置传感器轴34被直接固定到磁体32上而非在每个轴和磁体之间使用一些中间元件，因此也保持了刚度。如上面参考输出轴30和位置传感器轴34的连接器31、35，可以使用磁体的材料形成类似的连接器31、35，如再次参考图16B所示的那样。

通过另外的示例，为了最大化抗疲劳性并且同时也不干扰由磁体 32和线圈20的电路所产生的磁通量，输出轴30和位置传感器轴34 可以由非磁性不锈钢(例如303级不锈钢)制成，但这并非旨在限制。当转子刚度不是最重要的考虑时，可以使用其他材料，甚至包括塑料材料，比如聚甲醛树脂(Delrin)、尼龙或PEEK。

在该示例性实施例中，致动器本体12形成为定子14，并且所述致动器本体是简单的管状形状。为了使来自致动器10的转矩输出最大化，定子14由导磁材料制成。一种将有效工作的可能的廉价材料是冷轧钢(例如1018钢)，但是磁性不锈钢也可以有效工作，例如416不锈钢或430不锈钢。当希望使位置滞后最小化时(但是定子的材料费用高得多的情况下)，可以使用Carpenter 49镍钢。

替代地，定子14可以根本不包括任何导磁材料，并且可以例如由诸如Delrin、尼龙或PEEK的塑料而制成。当定子14不包括导磁材料时，致动器10将产生相当小的转矩，所述转矩可能小于当使用导磁材料时的转矩的一半。然而，矩形线圈20的电感也将对应地减小，因此对于某些应用来说，可能期望由非导磁材料来制成定子14。

此外，可以使用各种装置将矩形线圈20保持在定子14内的适当位置。然而，通过图10、图12、图18和图19中的示例示出的实施例中，线圈的保持主要使用定子14中的狭槽50来完成，并且可以使用环氧树脂来辅助所述线圈的保持。附加的线圈顶部保持器26可以用于保持和支撑线圈20的顶部20T的部分。该线圈顶部保持器26可以是管状元件，其内径足够大以用于输出轴30穿过，并且所述管状元件的其他特征适于将线圈顶部保持器26和线圈20固定到定子14。该线圈顶部保持器26还可以固定顶部轴承22。

在仍保持在本实用新型的范围内的同时，也可以设计将线圈保持在适当位置的其他装置。

在一些实施例中，线圈顶部保持器26可以由不导磁的材料制成，例如塑料材料(比如硅树脂、Delrin、尼龙或PEEK)，但是可以使用许多材料，所述材料包括导热塑料以及非导磁金属(例如铝)。要注意的是，当线圈顶部保持器由例如铝的导电材料制成时，在线圈激励期间，可能在线圈保持设备中形成涡电流。这些涡电流具有降低视在电感(apparentinductance)的效果。然而，也将存在对转子组件旋转的一些阻尼，因为该线圈保持设备将基本上如电线圈的“短路匝”那样起作用。

当定子14由导磁材料制成并且定子14的内部尺寸被实施成使得其具有简单的圆形横截面(所述定子另外还具有用于线圈配合通过的狭槽50，如图18所示)时，致动器10基本上为开槽型致动器，并且所述致动器将具有朝旋转角度的范围外侧进行嵌合的强烈倾向。因此，如果定子14由导磁材料制成，则可能期望对定子14的内部横截面进行“成形”。再次参考图19可以看到这种成形的一个例子。这里，在定子14中形成附加的狭槽52。当使用实心圆柱形的径向磁化磁体时，并且当定子14上的附加狭槽52大约与用于保持线圈的狭槽50一样宽时，实际上消除了齿槽效应。

尽管在该示例性实施例中，定子14与致动器本体12一体化地形成并且由单一材料制成，但也可以利用层叠件形成定子，或者可以使用任何已知的制造技术(包括3D打印、金属注射成型和水射流切割) 来制造定子14和致动器本体12。

如上所述，定子14中的开口16必须足够大以便允许转子组件18 与矩形线圈20一起配合通过。然而，该开口16的尺寸也有效地限定了电线圈20的最大外部尺寸。随着定子14中的开口16变得更大，在电线圈20上存在更大的空间来配合更多的导电材料(即铜线匝)。但是，随着开口16变得更大并且电线圈也变得更大，最远离磁体32(并且最靠近定子14中的孔的壁)的那些线圈可能比最靠近磁体32的线圈的生产率更低。

在图10至图14A中，位置传感器轴34与用于光学扫描应用的输出轴30一起使用，以便期望具有位置信息。在这种情况下，位置传感器组件54(这里再次参照图15而一般地示出)将紧邻位置传感器轴使用。对于可用于本文所述的本实用新型实施例的位置传感器组件54 的示例，参考美国专利No.8,508,726(其公开内容通过引用而整体并入本文)。然而，当不需要位置信息或从外部收集所述位置信息时，位置传感器轴34仍然是有益的，因为其有助于支撑磁体32并因此提供额外的横向刚度。

输出轴30可以承载光学元件，比如镜子，如再次参考图1所示的那样。光学元件可以包括在光学扫描仪中有效使用的镜子、棱镜或滤光器。

本实用新型的致动器10的一个益处是其具有期望地非常低的制造成本，并且具有比通常已知的致动器更具电效率。由于线圈20以简单的矩形形状制造，所以该线圈可以卷绕在常见的线圈绕线机上，所述线圈绕线机允许非常高程度的铜填充同时以非常低的成本生产线圈。然后使用定子14中的狭槽50将线圈20保持在适当位置，并且可以利用环氧树脂进一步保持线圈20。在一些实施例中可以压配合到致动器本体12中或者以任何其他方式被固定到致动器本体12的线圈顶部保持器26，用作为对准辅助装置并且为线圈20的顶部20T提供额外的支撑。

在一个示例中，目前正在制造的致动器10的期望性能良好，其性能可以与目前市场上的传统的移动磁体检流计的性能大体抗衡。在该示例性致动器10中，使用金属注塑的不锈钢形成致动器本体12和定子14。致动器本体12的外径为0.5英寸。定子中的开口16包括7mm 的孔以及大体如图19所示那样构造的内部狭槽。磁体32由钕铁硼制成，所述磁体的直径为0.120英寸并且长度为0.315英寸。输出轴30 和位置传感器轴34的直径均为3mm，由顶部轴承22和底部轴承24 支撑所述输出轴和所述位置传感器轴，顶部轴承和底部轴承也具有 7mm的外径，因此它们完美地配合在定子14中的开口内。轴承预载弹簧28在底部轴承24上施加大约6盎司的力，从而使轴承22、24 内的球保持落座和预加载。矩形线圈20的内部尺寸(最接近磁体的尺寸)为0.140英寸，外部尺寸(最接近定子中的孔口的尺寸)为0.265 英寸，厚度为0.060英寸。线圈20具有100匝AWG#35线材，其提供大约3.3欧姆的线圈电阻。对于该致动器10，转矩常数为每安培的流过线圈的电流产生22,000达因*厘米的转矩。用于使线圈20在输出轴30和位置传感器轴34中穿过的孔口40、42的尺寸被设计成使得转子组件18旋转通过40度的峰值-峰值机械角。

尽管上面已经提供了本实用新型的详细描述和附图，但是应该理解的是，本实用新型的范围不受其限制。此外，受益于前述描述和相关附图中呈现的教导的本领域技术人员将能想到本实用新型的许多修改和其他实施例。因此，应理解的是，本实用新型不限于所公开的具体实施方案。

Claims (20)

1.一种受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述受限旋转机电旋转致动器包括：

限定开口的定子，所述开口的尺寸适于接纳转子组件和电线圈，该开口在其直径相对两侧上具有第一对狭槽，所述狭槽足以将电线圈的一部分固定在其中；

转子组件，其能在受限的旋转范围内与定子双向操作，其中转子组件包括输出轴、位置感测轴和在其之间承载的双极磁体，其中输出轴和位置感测轴刚性附接至磁体的周边部分，并且其中在磁体和输出轴之间形成有孔口，并且在磁体和位置感测轴之间，所述孔口具有足够的尺寸以允许电线圈穿过；和

电线圈的一部分位于所述第一对狭槽内并且在其四个侧面上围绕磁体延伸，其中电线圈是能激励的，以向转子提供双向转矩。

2.根据权利要求1所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述开口还包括与所述第一对狭槽正交布置的第二对狭槽。

3.根据权利要求1所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述受限旋转机电旋转致动器还包括线圈顶部保持器，所述线圈顶部保持器在其直径相对两侧上限定第一对狭槽，该第一对狭槽足以将所述电线圈的一部分固定在其中。

4.根据权利要求1所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述定子由导磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述定子通过3D打印、金属注射成型和水射流切割中的至少一者形成。

6.一种受限旋转光学扫描器，其特征在于，所述受限旋转光学扫描器包括：

具有开口的定子，所述开口的尺寸足以容纳转子组件和电线圈，所述开口限定相对的第一对狭槽；

转子组件，其能在围绕纵向轴线的受限旋转范围内在所述开口内双向操作，其中所述转子组件包括输出轴、位置感测轴和固定在其之间的双极径向磁化圆柱形磁体，其中输出轴刚性地附接至磁体的第一周边表面并且不与靠近纵向轴线的磁体的第一中心部分接触，所述输出轴具有允许电线圈穿过的第一孔口，其中位置感测轴刚性地附接到磁体的第二周边表面并且不与靠近纵向轴线的磁体的第二中心部分接触，所述位置感测轴具有允许电线圈穿过的第二孔口，并且其中所述纵向轴线穿过通过第一孔口和第二孔口；

所述电线圈围绕磁体纵向延伸并穿过所述孔口，其中电线圈的一部分位于所述第一对狭槽内，并且其中电线圈是能激励的，以向转子提供双向转矩；和

位置传感器，其能与位置感测轴一起操作。

7.根据权利要求6所述的受限旋转光学扫描器，其特征在于，所述定子还包括与所述第一对狭槽正交布置的相对的第二对狭槽。

8.根据权利要求6所述的受限旋转光学扫描器，其特征在于，所述受限旋转光学扫描器还包括线圈顶部保持器，所述线圈顶部保持器限定第一对狭槽，用于在其中接收所述线圈的一部分。

9.根据权利要求6所述的受限旋转光学扫描器，其特征在于，所述定子由导电材料制成。

10.根据权利要求6所述的受限旋转光学扫描器，其特征在于，所述定子通过3D打印、金属注射成型和水射流切割中的至少一者形成。

11.一种受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述受限旋转机电旋转致动器包括：

定子，其具有在其中延伸的开口，其中所述开口的一部分限定相对的第一对狭槽；

两极径向磁化的磁体，其延伸到所述开口中并能绕纵向轴线旋转，其中所述磁体具有相对的第一轴向端和第二轴向端以及在其周围延伸的周边径向表面；

第一轴，其在磁体的第一轴向端附近通过第一连接器固定至所述磁体并能绕纵向轴线旋转，其中在第一轴的轴向端和磁体的第一轴向端之间形成有第一孔口；

第二轴，其在第二轴向端附近通过第二连接器固定至磁体并能绕纵向轴线旋转，其中在第二轴的轴向端和磁体的第二轴向端之间形成有第二孔口；

固定在所述第一对狭槽内的电线圈，其中电线圈在穿过所述纵向轴线的平面内围绕所述磁体，所述平面穿过所述磁体的相对的第一端部和第二端部以及所述周边径向表面，其中所述磁体的周边侧与相对的有效线圈部分相互作用，并且其中所述线圈的相对的第一端匝和第二端匝分别承载在第一孔口和第二孔口内，并且其中激励所述线圈提供相对的有效线圈部分之间的第一连接器和第二连接器的受限旋转，因而提供所述磁体的受限旋转并向所述轴提供双向转矩。

12.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述第一连接器和第二连接器分别从所述第一轴和第二轴的主体延伸，并且附接至所述磁体的外表面。

13.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述第一连接器和第二连接器中的至少一者包括多个连接器。

14.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述第一孔口和第二孔口在所述轴和所述线圈之间以及在所述线圈和所述磁体之间提供自由空间。

15.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，在所述线圈和所述线圈的内部之间在所述磁体周围形成有间隙。

16.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述第一孔口和第二孔口形成在所述磁体的相对的第一轴向端和第二轴向端内。

17.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述定子由3D打印、金属注射成型和水射流切割中的至少一者形成。

18.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述定子还包括第二对狭槽，所述第二对狭槽相对于所述第一对狭槽成一角度布置。

19.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述受限旋转机电旋转致动器还包括线圈顶部保持器，所述线圈顶部保持器在其中限定第一狭槽，用于接收所述电线圈的一部分。

20.根据权利要求11所述的受限旋转机电旋转致动器，其特征在于，所述第一连接器和第二连接器在其相对两侧上附接至所述磁体。

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