專利名稱：光學(xué)掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對既具有固定磁鐵又具有固定驅(qū)動線圈的光學(xué)掃描儀。
背景技術(shù)：
盡管光學(xué)共振掃描儀是公知的，但是它們通常不能以明顯高于10kHz的頻率維持工作，特別是在包括大孔徑反射鏡、大掃描角度和/或由厚材料組成的反射鏡(以保持動態(tài)平直度)的情況下。大多數(shù)公知的磁性驅(qū)動共振掃描儀包括運動磁鐵或運動線圈作為電磁電路部件，所述電磁電路用于產(chǎn)生并維持撓性元件的振蕩運動。這些掃描儀中許多都具有與撓性元件有關(guān)的高轉(zhuǎn)動慣量，因為電磁驅(qū)動部件是以某種方式實體連接到該元件的。因此，高轉(zhuǎn)動慣量使得難以獲得許多技術(shù)應(yīng)用中渴望的高共振頻率。
還有另一類光學(xué)共振掃描儀設(shè)計，它既不使用運動磁鐵，也不使用運動線圈來產(chǎn)生和維持振蕩運動。美國專利No.5,557,444(“’444設(shè)計”)體現(xiàn)了這種類型設(shè)計的一個例子。
‘444設(shè)計使用了兩個永久磁鐵來驅(qū)動反射鏡。這些永久磁鐵與鐵磁性撓性件(ferromagnetic flexure)實體接觸。永久磁鐵的通量路徑從兩個磁鐵中的每一個經(jīng)過這段撓性件的長度、經(jīng)過鐵磁性定子并通過鐵磁性基座回到磁鐵。由于這種通量路徑較長，所以有較大的可能性由于鐵磁性材料發(fā)熱而造成渦流產(chǎn)生和驅(qū)動效率損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有共振光學(xué)掃描儀的若干缺點。本發(fā)明的光學(xué)掃描儀能夠以設(shè)計頻率或接近設(shè)計頻率工作，所述設(shè)計頻率的范圍可以從很低到很高(例如超過10kHz)。與現(xiàn)有的共振光學(xué)掃描儀相比，它提供了更好的驅(qū)動效率而不產(chǎn)生多于的熱量。它可以使較大孔徑的反射鏡或其他有效載荷在大的掃描角度范圍上移動。它還可以移動由厚材料制成以保持動態(tài)平直度的反射鏡。根據(jù)本發(fā)明制成的掃描儀可以具有多種不同的用途，例如投影顯示、打印、光學(xué)目標捕獲和測距、面照明、光柵圖像數(shù)據(jù)獲取、條碼讀取器、以及其他的醫(yī)學(xué)、軍事和消費應(yīng)用。下面對本發(fā)明的優(yōu)點和特征進行說明。
本發(fā)明提供了一種光學(xué)掃描儀，包括彼此分開并以鐵磁性方式耦合在一起的第一和第二定子；磁鐵，相對于定子定位成使得磁鐵產(chǎn)生的磁場對稱軸與定子基本等距并經(jīng)過這些定子之間；以及撓性元件，相對于定子和磁鐵定位成使得撓性元件的中心點大致與磁鐵磁場的對稱軸相交，其中撓性元件不與定子或磁鐵實體接觸。
本發(fā)明還提供了一種光學(xué)掃描儀，包括鐵磁性基座，其上形成有第一和第二定子柱，第一定子柱與第二定子柱彼此基本平行；圍繞第一定子柱以第一方向纏繞的第一電線圈；圍繞第二定子柱以與第一方向相反的第二方向纏繞的第二電線圈；磁鐵，布置在鐵磁性基座上，并且位于定子柱之間并與定子柱等距；撓性件，具有第一支撐部分、第二支撐部分以及中心部分，第一支撐部分和第二支撐部分分別安裝在第一支撐基座和第二支撐基座上，中心部分布置在定子柱和磁鐵上方，中心部分的質(zhì)心直接位于磁鐵以及與定子柱等距的轉(zhuǎn)軸上方；第一定子支撐基座和第二定子支撐基座由非鐵磁性材料組成，并且對稱地位于鐵磁性基座外側(cè)并安裝到鐵磁性基座，從而為掃描儀提供一體支撐結(jié)構(gòu)；撓性元件，固定在撓性件的中心部分或由其直接制成，在交替驅(qū)動信號耦合到第一電線圈和第二電線圈時，撓性元件圍繞轉(zhuǎn)軸振蕩。
本發(fā)明還提供了一種用于使掃描儀的撓性元件振蕩的方法，包括使用布置在兩個定子之間、撓性元件下方的磁鐵產(chǎn)生第一磁路和第二磁路，第一磁路和第二磁路大體上對稱并彼此共面，其中，部分磁路具有經(jīng)過磁鐵的共同磁路，磁路中剩余的經(jīng)過定子的非共路部分彼此相對反向；通過電線圈向所述磁路中之一或二者施加電磁通量，使經(jīng)過第一磁路的通量增強而使經(jīng)過第二磁路的通量削弱，并使定子感應(yīng)的經(jīng)過磁鐵的通量矢量保持不變；以及以規(guī)則的頻率使定子感應(yīng)電磁通量的極性逆轉(zhuǎn)，以使撓性元件振蕩。
根據(jù)下面的說明以及附圖，可以更完整地理解本發(fā)明的這些以及其他的目的、優(yōu)點和新穎特征，以及其示例實施例的詳細內(nèi)容。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)共振掃描儀第一實施例的立體圖；圖2是圖1中光學(xué)掃描儀的分解立體圖，為了清楚起見未示出撓性固定架；圖3是圖1中光學(xué)掃描儀的電磁驅(qū)動部件的分解立體圖；圖4是圖1中光學(xué)掃描儀的電磁驅(qū)動部件的側(cè)視圖，示出了位于中心的磁鐵所得的靜態(tài)(DC)磁通量的磁力線方向。
具體實施例方式
(掃描儀)本發(fā)明的共振光學(xué)掃描儀100圖示于圖1-4中。參考圖1-圖2，掃描儀包括基座板1、2，它們通過公知裝置(例如圖2所示螺栓17)連接在一起，以對掃描儀100提供機械支撐。末端固定架3、4安裝在基座板1、2的相反端。末端固定架也通過公知裝置(例如圖1-2中所示螺釘16和凹孔22)連接到基座板1、2?；蛘撸?、2和末端固定架3、4可以在一塊或兩塊材料中(即基座板1與末端固定架3形成一塊，而基座板2與末端固定架4形成另一塊)一體形成。
參考圖2，掃描儀100包括連接到末端固定架3、4的撓性件32。撓性件包括撓性元件11，撓性元件11具有磁性并用作掃描儀100的轉(zhuǎn)動元件或振蕩元件。撓性元件11包括光反射元件、光發(fā)射元件或光檢測元件。這樣的元件可以通過任何合適的公知方法來制造。例如，可以通過拋光；或者設(shè)置金屬蒸發(fā)膜、多層薄膜反射器、衍射光柵、反射鏡或反射表面、一個或多個光發(fā)射元件、和/或一個或多個光檢測元件來制造。優(yōu)選為使撓性元件11位于撓性件32的中心部分或其附近。還優(yōu)選為使撓性件32中含有撓性元件11的中心部分相對于撓性件32長度方向的軸線向外橫向突出，以產(chǎn)生大體上橢圓或圓形的俯視形狀。
參考圖1，撓性件32的優(yōu)選實施例具有中心部分，所述中心部分經(jīng)過兩個沿轉(zhuǎn)動軸線方向的元件18、19向外延伸。優(yōu)選地，元件18、19大體上是薄矩形形狀。這些元件18、19各自的末端終止于固定片(12、13)。固定片12、13通過合適的公知裝置安裝到末端固定架3、4。例如，固定片12、13可以由位于末端固定架3、4內(nèi)提供支撐(未示出)的側(cè)部(reveal)14、15收容，所述支撐卡到固定片12、13；或者，固定片12、13可以焊接或用螺釘連接到末端固定架3、4上。安裝裝置優(yōu)選為這樣的設(shè)計撓性件32剛性安裝到末端固定架3、4而不對撓性件32中進行旋轉(zhuǎn)運動的任何部件(例如撓性元件11)施加約束力。
參考圖1-4，磁鐵9布置在撓性元件11下方并與撓性件32的下側(cè)由氣隙隔開。這樣的磁鐵可以是任何公知磁鐵，例如永久磁鐵、電磁鐵等。優(yōu)選為將磁鐵9直接布置在撓性元件11下方，并使磁鐵9的一端25如圖4所示面向撓性件32的下側(cè)。還優(yōu)選為使撓性件32與磁鐵9之間的氣隙較小，以使來自磁鐵9的磁通量可以有效地經(jīng)過氣隙耦合到撓性件32。磁鐵9可以是任何合適的公知形狀。優(yōu)選為使磁鐵9大體上是柱形。
第一定子柱7和第二定子柱8布置在磁鐵9的相對側(cè)。定子電線圈5、6圍繞其各自的定子柱7、8沿相反方向纏繞(即以相反方向極化)，形成彼此隔開的兩個定子38、40。磁鐵9相對于定子38、40定位成使得磁鐵9所產(chǎn)生的磁場的對稱軸與定子38、40基本上等距并從定子38、40的末端(即定子柱7、8的末端20、21)之間經(jīng)過。定子柱7、8定位成與撓性件32的長度方向軸線或長軸大體上正交，并與磁鐵9和撓性件32大體上等距。定子柱7、8在撓性元件11的位置處以正好達不到撓性件32邊緣26、27的方式終止，使得定子柱7、8的末端20、21與撓性件32之間存在氣隙。優(yōu)選為將末端20、21斜切或形成為在它們自身與撓性件32的邊緣26、27之間限定出延長的交疊。流經(jīng)各個氣隙的磁場中等大反向的擾動用于對撓性元件11施加扭轉(zhuǎn)力，以使之圍繞撓性件32的長度方向軸線轉(zhuǎn)動。撓性元件11相對于定子38、40和磁鐵9定位成使得其中心點與磁鐵9的磁場對稱軸基本相交，而撓性元件11不與定子38、40或磁鐵9實體接觸。
通量返回桿10布置在基座板1、2之間并優(yōu)選為卡在它們之間或夾在它們之間。定子柱7、8固定在通量返回桿10上，在定子38、40之間形成磁路。這種設(shè)計使得定子38、40雖然彼此分開但如圖4所示以鐵磁性方式耦合在一起。圖1-4示出的通量返回桿10和定子柱7、8是單獨的零件。在本發(fā)明的可替換實施例中，通量返回桿10和定子柱7、8在一塊材料中一體形成。
磁鐵9通過公知裝置安裝到通量返回桿10。例如，參考圖3，通量返回桿10中形成凹孔或空腔23用于安裝磁鐵9?；蛘撸盆F9和通量返回桿10一體形成于一塊材料中。如果愿意，一體形成的零件還可以包括定子柱7、8。
掃描儀100可以根據(jù)情況包括合適的公知檢測裝置(未示出)用于檢測撓性元件11的振蕩。例如，檢測裝置可以是光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使光束與撓性件32的下側(cè)相交，該光束反射離開撓性件32并照射到光學(xué)檢測器上，所述光學(xué)檢測器能夠檢測到光束中與撓性元件11的轉(zhuǎn)動角成比例的調(diào)制。
撓性元件11、定子柱7和8、磁鐵9以及通量返回桿10優(yōu)選為由(多種)鐵磁性材料構(gòu)成。還優(yōu)選為撓性件32(包括撓性元件11、元件18、19以及固定片12、13)由單塊鐵磁性材料構(gòu)成。但是，本發(fā)明并不要求撓性件32的所有元件都由(多種)鐵磁性材料構(gòu)成和/或具有磁性。事實上，只有撓性元件11或者撓性件32中位于撓性元件11下方的中心部分需要由鐵磁性材料組成。
任何合適的公知鐵磁性材料都可以用于構(gòu)成掃描儀100的上述部件和/或元件。不過，鐵磁性材料優(yōu)選為從下述成員構(gòu)成的組中選擇不銹鋼、鎳、鈷、鐵及其組合。更優(yōu)選地，鐵磁性材料是彈簧鋼。例如，在一種優(yōu)選實施例中，撓性件32由彈簧鋼構(gòu)成，并且是扭轉(zhuǎn)型彈簧，其彈簧常數(shù)由其長度、寬度和厚度決定；而定子柱7、8以及通量返回桿10由軟鐵或燒結(jié)鐵素體粉末、疊片鐵磁性材料(例如有絕緣材料介入其間的多個鐵磁性材料薄層)等構(gòu)成。
在使用薄層結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料時，薄層厚度的范圍優(yōu)選為每層約0.001英寸到約0.006英寸厚、總的堆疊厚度約為0.1英寸到約1英寸。還優(yōu)選為通過由合適的公知絕緣材料(例如清漆等)組成的特別薄的層將各個薄層彼此分開。薄層結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料將渦流形成減至最少，并提供了較高飽和通量密度。
掃描儀100的其余部件可以由(多種)非鐵磁性材料構(gòu)成，因為它們不需要維持或攜帶任何顯著的電磁通量或渦流?；?、2以及末端固定架3、4可以由能夠?qū)闲约?2進行剛性支撐的任何合適公知材料組成。
(掃描儀的操作)如下面將要說明的，本發(fā)明提供了一種用于使共振光學(xué)掃描儀的撓性元件振蕩的方法，該方法包括采用布置在兩個定子之間、撓性元件下方的磁鐵產(chǎn)生第一磁路和第二磁路，所述第一磁路和第二磁路大體上彼此對稱且共面，其中，部分磁路共享經(jīng)過磁鐵的、共同的磁路，而經(jīng)過定子的、磁路中剩余的非共同路徑彼此反向；經(jīng)過定子電線圈向兩個磁路或其中之一施加電磁通量，從而增強經(jīng)過第一磁路的通量，而削弱經(jīng)過第二磁路的通量，并保持定子感應(yīng)的經(jīng)過磁鐵的通量矢量不變；以規(guī)則的頻率使定子感應(yīng)的電磁通量極性逆轉(zhuǎn)，以使撓性元件振蕩。
在定子電線圈5、6中沒有(多個)驅(qū)動信號時，磁鐵9沿磁鐵9主體限定的方向產(chǎn)生磁通量。如果磁鐵9是永久磁鐵，則產(chǎn)生的通量是恒定的。如果磁鐵9是電磁鐵，則流經(jīng)第一和第二磁路的靜態(tài)(DC)通量可以任意改變，因此不必改變對定子線圈5、6的驅(qū)動即可改變掃描角度范圍。設(shè)磁鐵9的極性方向使得正極(+)向上，則磁鐵9產(chǎn)生的磁通量垂直向上行進，穿過撓性件32下方的氣隙并進入撓性元件11。參考圖4，通量分成基本對稱、共面的兩部分，即永久磁路30、31，各個磁路(30或31)相對于撓性件32的長度方向軸線沿相反的橫向方向流動。除了磁鐵9限定的共同磁路以及在某種程度上磁鐵9緊挨著的上下方的少部分掃描儀結(jié)構(gòu)之外，經(jīng)過磁路30、31的永久磁鐵通量方向是反向或逆向的。磁路30從磁鐵9的頂部磁極25延伸到撓性元件11的近似質(zhì)心，橫向經(jīng)過撓性元件11的邊緣29，穿過氣隙，經(jīng)過定子柱8，然后經(jīng)過通量返回桿10的一半返回磁鐵9的底部磁極24。磁路31從磁鐵9的頂部磁極25延伸到撓性元件11的近似質(zhì)心，然后橫向經(jīng)過撓性元件11的邊緣28，穿過氣隙，經(jīng)過定子柱7，然后經(jīng)過通量返回桿10的另一半返回磁鐵9的底部磁極24。因此，磁路30和31經(jīng)過通量返回桿10在磁鐵9的底部匯聚在一起。
上述通量結(jié)構(gòu)在磁鐵9的頂部磁極25與撓性元件11之間產(chǎn)生了凈吸引力，它趨向于使撓性件32在正常情況下穩(wěn)定在水平位置。它還產(chǎn)生了兩個對稱磁路30、31，二者通常是平衡的，但是在向線圈5、6施加(多個)驅(qū)動信號時這種平衡可以破壞。
當周期性驅(qū)動信號(例如方波)施加到線圈5、6時，產(chǎn)生使撓性元件11在轉(zhuǎn)動軸線A-A附近來回振蕩的交替磁場。線圈5、6通常是對稱纏繞并對稱驅(qū)動的。但是，它們的極性可以隨著操作彼此相對逆轉(zhuǎn)，使其施加到各自相應(yīng)磁路的電磁作用不同。更具體地說，線圈6會產(chǎn)生將磁路30中的某些磁感應(yīng)通量削弱或抵消的電磁通量，如圖4中小箭頭34所示。相反，在方波達到最大正幅值時，線圈5施加等大但反向的電磁通量，這種電磁通量加到磁路31中的磁感應(yīng)通量上，如小箭頭36所示。當方波向最大正幅值移動時，定子柱7中建立的磁場集中在末端20并穿過中間氣隙流入撓性元件的邊緣28。該磁場趨向于使磁鐵9在邊緣28處產(chǎn)生的靜態(tài)磁通量增強。增強的通量密度使邊緣28與末端20之間已有的吸引力增大。同時線圈6在定子柱8中建立相反極性的磁場，該磁場使末端21與撓性元件11的邊緣29之間的吸引力減小。在撓性元件11與末端20、21之間造成的這種磁力不平衡產(chǎn)生了圍繞中心線A-A的力矩，撓性元件11將沿轉(zhuǎn)矩矢量方向圍繞A-A旋轉(zhuǎn)。當方波從最大正值向最大負值轉(zhuǎn)變時，線圈5、6和定子柱7、8建立的電磁場極性逆轉(zhuǎn)(即箭頭34、36的方向逆轉(zhuǎn))，從而對撓性元件11產(chǎn)生符號相反的力矩。因此撓性元件11圍繞A-A發(fā)生與前述情況方向相反的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)頻率與施加到線圈5、6的方波頻率有關(guān)。
如上所述，與定子38、40相關(guān)的磁場具有經(jīng)過磁鐵9的共同路徑。由于在撓性元件11處定子38、40對磁鐵9所得靜態(tài)磁通量的貢獻是等大反向的，所以在磁鐵9中定子38、40產(chǎn)生的凈通量貢獻彼此抵消。因此，由于磁鐵9中實際上沒有交替的磁通量成分，所以磁鐵9中沒有明顯的渦流。應(yīng)當注意，對于高頻操作，每個線圈5、6的纏繞匝數(shù)應(yīng)當減小，因為這種線圈5、6的電阻抗也隨著操作頻率而增大。
渦流損耗與用于形成磁路30、31的材料的體電阻率成反比。因此，通過降低定子柱7和8、撓性元件11以及通量桿10的體電阻率，可以減小高頻操作時的渦流損耗。例如，可以通過在形成元件7、8、10和/或11時采用鐵磁性材料的薄層或燒結(jié)粉末，來降低體電阻率。
在經(jīng)過定子柱7、8的磁路中除了經(jīng)過磁鐵9的共同路徑外的所有部分，磁通量的強度都在幅度和方向方面與線圈5、6產(chǎn)生的電磁通量成比例地增大或減小。但是，磁鐵9產(chǎn)生的通量以及流經(jīng)磁鐵9的通量從不改變，因為來自定子柱7、8的通量貢獻是大小相等、符號相反的，所以在磁鐵9中彼此抵消了。因此，從不會與磁鐵9的內(nèi)矯頑磁力對抗，所以磁鐵9在其去磁曲線上的工作點是固定的。無論磁鐵9是永久磁鐵還是具有可調(diào)內(nèi)矯頑磁場強度的電磁鐵都是如此。
本發(fā)明為基于磁鐵的力矩發(fā)生器提供了最佳的驅(qū)動原理并使之區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)。例如，在’444設(shè)計中，用兩個永久磁鐵來驅(qū)動撓性元件，兩個磁鐵在撓性件的任一端實體接觸。永久磁鐵的通量路徑方向從兩個磁鐵中每一個經(jīng)過撓性件的長度方向，經(jīng)過定子并通過掃描儀的鐵磁性基座而返回對應(yīng)的磁鐵。這種長通量路徑使得有較大的可能性由于鐵磁性材料發(fā)熱而造成渦流產(chǎn)生并因此造成驅(qū)動效率損耗。電能流經(jīng)’444設(shè)計中公開的定子線圈，反向纏繞的線圈產(chǎn)生的磁通量必定對永久磁鐵產(chǎn)生的通量造成對抗或增強，從而使磁鐵去磁或重新磁化。盡管這樣確實在撓性件上產(chǎn)生了凈轉(zhuǎn)矩，但是磁性工作點以掃描儀的頻率反復(fù)運動，產(chǎn)生了熱量、驅(qū)動效率損耗并可能對矯頑磁性造成不可逆轉(zhuǎn)的損失。
在本發(fā)明中，與’444設(shè)計不同，掃描儀100具有靜態(tài)(DC)磁通量，所述磁通量橫向流過撓性件32的長軸方向，經(jīng)過大致位于各個定子柱(7或8)質(zhì)心與撓性元件11(優(yōu)選為位于撓性件32的質(zhì)心處)之間的很短距離。此外，與’444設(shè)計不同，撓性件32中有磁通量流過的元件只是撓性元件11，同時基座板1、2不必由鐵磁性材料組成。這種短的通量流動路徑以及這些路徑的共面性質(zhì)趨向于使渦流產(chǎn)生以及磁通量短路盡量減少，否則這兩種情況都可能由于鐵磁性材料發(fā)熱以及使以磁性方式施加到撓性元件11的扭轉(zhuǎn)力減少而限制驅(qū)動效率。
在本發(fā)明中，由力在撓性件32上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所述力與發(fā)送到定子線圈5、6的電功率成比例。振蕩的定子線圈功率產(chǎn)生了振蕩運動。當功率振蕩頻率與撓性件32的固有頻率匹配時，則可以以較低的驅(qū)動功率水平產(chǎn)生較大的角振蕩。撓性振蕩的性質(zhì)可能很復(fù)雜，因為具有上述俯視形狀的撓性件可能以多于一種模式振蕩。也可能存在基模的諧振以及更高階模。不過，可以用適當?shù)臄?shù)值方法來設(shè)計撓性件，以促進一種或諧振模式或另外的諧振模式，或者是模式的組合。在線性掃描儀的情況下，期望的是一階扭轉(zhuǎn)模式，可以將撓性件設(shè)計為使一階扭轉(zhuǎn)模式的幅度比其他所有模式的幅度至少高一個數(shù)量級。
盡管可以采用上述驅(qū)動方法來設(shè)計共振撓性件，使之對一個或多個期望模式具有期望的基頻，但是可能難以精確地以該頻率對撓性件進行電磁驅(qū)動。這與下述事實有關(guān)部分驅(qū)動功率，主要是通過裝置中承受通量的鐵磁性部件中產(chǎn)生的渦流形式，以熱量形式損失掉了。渦流產(chǎn)生率與驅(qū)動頻率的平方成比例，對于標準鐵素體材料，驅(qū)動功率損耗對渦流發(fā)熱的比例在10-15kHz范圍內(nèi)開始急劇上升，同時用于有效工作的功率趨近于某個極限。
此外，即使可以以設(shè)計頻率來驅(qū)動共振撓性件，如果鐵素體材料中的磁通量密度達到飽和極限(對于標準鋼約為18kGauss)，則也可能難以在該頻率處得到足夠的幅度。對此，所有的基本磁矩(elementary magneticmoment)都定向到一個方向，驅(qū)動線圈的電流增大只對感應(yīng)造成很小的增加或者不造成感應(yīng)增加，因此只對振蕩驅(qū)動造成很小的增加或不造成增加。
最后，即使可以以正確的頻率、正確的振蕩幅值對共振設(shè)計的撓性件進行驅(qū)動，在這些參數(shù)條件下工作也可能不具有足夠的壽命(或平均失效時間)。這與選用的(多種)鐵磁性材料的疲勞極限有關(guān)。大多數(shù)鐵磁性材料是晶體性質(zhì)的，反復(fù)變形(即使在其彈性極限以內(nèi))會造成微裂紋的形成和傳播，這可能引起災(zāi)難性的失效。
為了解決上述問題，掃描儀100包括用于減少渦流產(chǎn)生的裝置，該裝置在構(gòu)成承受可變通量的路徑時，使用薄層結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料而不是固態(tài)鐵素體材料(純鐵)或晶體材料(鋼)。鐵磁性材料的薄層性質(zhì)通過將電連續(xù)長度分斷成較小的長度而減少了渦流的形成。
另外，掃描儀100包括用于減少磁飽和發(fā)生、以使可用的驅(qū)動功率包絡(luò)最大的裝置。用于構(gòu)成可變通量路徑的各個薄層由鐵磁性材料構(gòu)成，所述材料具有很高的磁導(dǎo)率，并因此具有很高的飽和通量密度。
最后，掃描儀100在結(jié)構(gòu)上設(shè)計為使與邊緣效應(yīng)有關(guān)的不期望通量泄漏路徑減少。特別是定子末端20、21經(jīng)過了非常仔細的設(shè)計，使得經(jīng)過氣隙和撓性元件11傳送的通量最大，而不是末端20、21與磁鐵9的上部磁極25之間直接傳送的或者在結(jié)構(gòu)的其他任何部分傳送的通量最大。單一的磁鐵9與兩個定子柱7、8彼此接近布置，并且基本上處于撓性件32長軸橫向的一個平面內(nèi)，得到了很短的通量路徑，并減少了通量泄漏和渦流產(chǎn)生的可能性。
根據(jù)上述設(shè)計改進，申請人相信根據(jù)本發(fā)明制造的掃描儀會表現(xiàn)出很高性能。例如，具有5mm反射鏡直徑的掃描儀只用不到10W的驅(qū)動功率，就可以使光束以16kHz掃過22度(光學(xué)掃描角度)以上的角度。在不對上述設(shè)計參數(shù)進行很大改動的情況下，這種設(shè)計就可以擴展到24kHz甚至更高。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)掃描儀，包括第一定子和第二定子，它們彼此分開并以鐵磁性方式耦合在一起；磁鐵，所述磁鐵相對于所述定子定位成使得所述磁鐵產(chǎn)生的磁場的對稱軸與所述定子基本等距并從所述定子之間穿過；以及撓性元件，所述撓性元件相對于所述定子和所述磁鐵定位成使得所述撓性元件的中心點大體上與所述磁鐵的磁場對稱軸相交，其中，所述撓性元件不與所述定子或所述磁鐵實體接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描儀，其中，所述撓性元件包括從下述內(nèi)容構(gòu)成的組中選擇的元件拋光表面、金屬蒸發(fā)膜、多層薄膜反射器、衍射光柵、反射鏡、一個或多個光發(fā)射元件、一個或多個光檢測元件、以及它們的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的掃描儀，其中，所述撓性元件中包括的所述元件一體形成于所述撓性件中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項所述的掃描儀，其中所述掃描儀能夠以高于10kHz的頻率工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任意一項所述的掃描儀，其中，所述第一定子包括第一定子柱和第一定子電線圈；所述第二定子包括第二定子柱和第二定子電線圈；并且所述定子通過通量返回桿以鐵磁性方式耦合在一起，所述通量返回桿連接到所述定子和所述磁鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的掃描儀，其中，所述撓性元件、所述定子柱以及所述通量返回桿由鐵磁性材料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描儀，其中所述鐵磁性材料選自由下列內(nèi)容構(gòu)成的組中不銹鋼、彈簧鋼、鎳鈷合金、鐵、以及它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的掃描儀，其中，所述定子柱和所述通量返回桿由鐵磁性材料構(gòu)成，所述鐵磁性材料選自由下列內(nèi)容構(gòu)成的組中薄層結(jié)構(gòu)鐵磁性材料、燒結(jié)鐵素體粉末、以及它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的掃描儀，還包括第一支撐基座和第二支撐基座，它們安裝到所述通量返回桿；撓性件，具有安裝到所述第一支撐基座的第一元件和安裝到所述第二支撐基座的第二元件；其中，所述撓性件的中心部分包括所述撓性元件，在將交替驅(qū)動信號耦合到所述定子電線圈時，所述撓性元件圍繞與所述定子等距的轉(zhuǎn)動軸振蕩。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的掃描儀，其中，所述撓性元件的所述振蕩由檢測裝置檢測。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的掃描儀，其中，所述檢測裝置由光學(xué)系統(tǒng)組成，藉此使光束與所述撓性件的下側(cè)相交，所述光束反射離開所述下側(cè)并照射到光學(xué)檢測器上，所述光學(xué)檢測器能夠檢測到所述光束的調(diào)制，所述調(diào)制與所述撓性元件的轉(zhuǎn)角成比例。
12.一種光學(xué)掃描儀，包括鐵磁性基座，所述鐵磁性基座上形成有第一定子柱和第二定子柱，所述第一定子柱與所述第二定子柱彼此基本平行；圍繞所述第一定子柱以第一方向纏繞的第一電線圈；圍繞所述第二定子柱以與所述第一方向相反的第二方向纏繞的第二電線圈；磁鐵，所述磁鐵布置在所述鐵磁性基座上，并且位于所述定子柱之間并與所述定子柱等距；撓性件，具有第一支撐部分、第二支撐部分以及中心部分，所述第一支撐部分和所述第二支撐部分分別安裝在第一支撐基座和第二支撐基座上，所述中心部分布置在所述定子柱和所述磁鐵上方，所述中心部分的質(zhì)心直接位于所述磁鐵以及與所述定子柱等距的轉(zhuǎn)軸上方；所述第一定子支撐基座和第二定子支撐基座由非鐵磁性材料組成，并且對稱地位于所述鐵磁性基座外側(cè)并安裝到所述鐵磁性基座，從而為所述掃描儀提供一體支撐結(jié)構(gòu)；撓性元件，固定在所述撓性件的所述中心部分或由其直接制成，在交替驅(qū)動信號耦合到所述第一電線圈和所述第二電線圈時，所述撓性元件圍繞所述轉(zhuǎn)軸振蕩。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的掃描儀，其中，所述磁鐵與所述撓性元件之間存在氣隙。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的掃描儀，其中，所述撓性元件與所述第一定子柱之間存在氣隙，所述撓性元件與所述第二定子柱之間存在氣隙。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14中任意一項所述的掃描儀，其中，所述撓性元件、所述定子柱由鐵磁性材料構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的掃描儀，其中，所述鐵磁性材料選自由下列內(nèi)容組成的組中不銹鋼、彈簧鋼、鎳鈷合金、鐵、以及它們的組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求12到16中任意一項所述的掃描儀，其中，所述撓性元件包括從下述內(nèi)容構(gòu)成的組中選擇的元件拋光表面、金屬蒸發(fā)膜、多層薄膜反射器、衍射光柵、反射鏡、一個或多個光發(fā)射元件、一個或多個光檢測元件、以及它們的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求12到18中任意一項所述的掃描儀，其中，所述撓性元件的所述振蕩由檢測裝置檢測。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的掃描儀，其中，所述檢測裝置由光學(xué)系統(tǒng)組成，藉此使光束與所述撓性件的下側(cè)相交，所述光束反射離開所述下側(cè)并照射到光學(xué)檢測器上，所述光學(xué)檢測器能夠檢測到所述光束的調(diào)制，所述調(diào)制與所述撓性元件的轉(zhuǎn)角成比例。
20.一種用于使掃描儀的撓性元件振蕩的方法，包括使用布置在兩個定子之間、所述撓性元件下方的磁鐵產(chǎn)生第一磁路和第二磁路，所述第一磁路和所述第二磁路大體上對稱并彼此共面，其中，部分所述磁路具有經(jīng)過所述磁鐵的共同磁路，所述磁路中剩余的經(jīng)過所述定子的非共路部分彼此相對反向；通過電線圈向所述磁路中之一或二者施加電磁通量，使經(jīng)過所述第一磁路的通量增強而使經(jīng)過所述第二磁路的通量削弱，并使定子感應(yīng)的經(jīng)過所述磁鐵的通量矢量保持不變；以及以規(guī)則的頻率使所述定子感應(yīng)電磁通量的極性逆轉(zhuǎn)，以使所述撓性元件振蕩。
全文摘要
一種光學(xué)掃描儀(100)，包括彼此分開并以鐵磁性方式耦合在一起的定子(38、40)；磁鐵(9)，相對于定子(38、40)定位成使得磁鐵(9)產(chǎn)生的磁場的對稱軸與定子(38、40)基本等距并從定子(38、40)之間穿過；以及撓性元件(11)，相對于定子(38、40)和磁鐵(9)定位成使其中心點大體上與磁鐵(9)的磁場對稱軸相交，其中，撓性元件(11)不與定子(38、40)或磁鐵(9)實體接觸。一種用于使掃描儀的撓性元件振蕩的方法，包括使用布置在兩個定子(38、40)之間、撓性元件(11)下方的磁鐵(9)產(chǎn)生兩個磁路(30、31)，這兩個磁路大體上對稱并彼此共面，其中，部分磁路具有經(jīng)過磁鐵(9)的共同磁路，而磁路(30、31)中剩余的經(jīng)過定子(38、40)的非共路部分彼此相對反向；通過定子電線圈(5、6)向這些磁路(30、31)施加電磁通量，使經(jīng)過一個磁路(30或31)的通量增強而使經(jīng)過另一磁路(30或31)的通量削弱，并使定子感應(yīng)的經(jīng)過磁鐵(9)的通量矢量保持不變；以及以規(guī)則的頻率使定子感應(yīng)電磁通量的極性逆轉(zhuǎn)，以使撓性元件(11)振蕩。
文檔編號G02B26/10GK1977204SQ200580020348
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者尼古拉斯·勒貝爾, 安德里亞斯·羅斯, 馬克·吉特林, 大衛(wèi)·梅爾維爾 申請人:尼古拉斯·勒貝爾, 安德里亞斯·羅斯, 馬克·吉特林, 大衛(wèi)·梅爾維爾