有限转动机电旋转式致动器及有限转动光扫描仪制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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
理解由本技术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”。如后面将在本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2015.02.06 US 62/112,7551.一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
\t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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：小威廉·R·本纳，
申请(专利权)人：小威廉·R·本纳，
类型：新型
国别省市：美国;US