用于角运动的音圈致动器
阅读说明：本技术 用于角运动的音圈致动器 (Voice coil actuator for angular motion ) 是由 T·勃姆 E·克劳斯 S·M·F·鲍姆哈克尔 于 2020-11-13 设计创作，主要内容包括：一种定位系统,包括：第一板；第二板,该第二板耦接至第一板并且可绕轴线枢转；一对音圈致动器,该一对音圈致动器被配置成使第二板绕所述轴线旋转；以及处理器,该处理器被配置成将电流驱动到一对音圈致动器；其中,所述一对音圈致动器包括：第一磁体结构和第二磁体结构,该第一磁体结构和第二磁体结构以与所述轴线的距离相等且相对的方式安装在第一板上；以及第一线圈和第二线圈,该第一线圈和第二线圈安装在第二板上,并且定位成使得当第二板绕轴旋转时,各自的第一磁体结构和第二磁体结构移入和移出于第一线圈和第二线圈；其中,第一磁体结构和第二磁体结构中的每一个基本上为弧形,该弧形的中心位于轴线上且半径等于磁体结构到轴线的距离。(A positioning system, comprising: a first plate; a second plate coupled to the first plate and pivotable about an axis; a pair of voice coil actuators configured to rotate the second plate about the axis; and a processor configured to drive a current to the pair of voice coil actuators; wherein the pair of voice coil actuators includes: a first magnet structure and a second magnet structure mounted on the first plate at equal distances from and opposite to the axis; and first and second coils mounted on the second plate and positioned such that when the second plate is rotated about the axis, the respective first and second magnet structures move into and out of the first and second coils; wherein each of the first and second magnet structures is substantially arc-shaped with a center on the axis and a radius equal to the distance of the magnet structure from the axis.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年11月13日提交的美国临时专利申请NO.62/934,722的权益。在此通过引用合并该美国临时专利申请62/934,722的内容。
技术领域
本发明涉及致动器，并且更具体地涉及一种用于角运动或球面运动的音圈致动器。
背景技术
在许多扫描应用、跟踪应用以及需要光束的可控转向的其他应用中，光学元件在光束轴线内的角运动或球面运动是必要的。
快速转向反射镜(FSM)系统是一种精确的光束转向机构，该光束转向机构使用其反射表面在光源与接收器之间调节光束。图1示出了现有的FSM系统，其中，反射镜由可枢转的支撑件或万向架支撑。四个音圈致动器成对工作以驱动反射镜，使得反射镜在x方向和y方向上倾斜。音圈致动器是一种高性能且紧凑的致动器，其特别为需要在短行程至中行程范围内同时进行高精度和高速定位的应用而被开发。需要注意的是，FSM系统需要提供球面运动，但是音圈致动器使用直线磁体和直线线圈。众所周知的是，现有的FSM系统存在一些显著的局限性。
对于图2A所示的现有的FSM系统，在倾斜位置中，由于力的非线性，左侧的力和右侧的力是不平衡的。从图2B和图2C可以看出，由于它们各自的磁体相对于它们的线圈的位置，左侧的力不同于右侧的力。如果磁极在线圈内部，则音圈或多或少才有效。如图2A所示，只有一个音圈(有左磁体在线圈中)在轴线上产生力，第二音圈是无效的(右磁体的磁极在线圈外)。轴线上相反的力是不对称的。因此，在枢转轴承处，由此产生的合力ΔF不为零。这种应力会导致轴承磨损和撕裂。此外，当系统前后倾斜时，在轴承处产生的振荡力可能会激发不期望的共振。
对于音圈致动器，线圈效率取决于线圈相对于磁极的位置以及磁体与线圈之间的气隙。图3示出了不同线圈直径的线圈效率与线圈相对于磁体的位置之间的关系。当磁体的磁极位于线圈的边缘时出现最大的力。从图2A中可以看出，由于右侧磁体的磁极远离线圈的外部，因此，在现有的系统中线圈效率低。
如图4所示，最大力随着线圈的直径而变大，并且线圈与磁体之间的间隙由此减小。需要注意的是，当线圈直径变得小于特定值时，由于磁体会通过非线性运动接触线圈，较小的线圈将变得不可用。
如图5所示，线圈中的磁体没有线性运动，并且线圈也不是只有一个绕组，而是具有几毫米的高度。因此，对于较大的偏转，磁体与线圈之间的间隙变小，并且在某个倾斜的角度值下，对于较小的间隙，磁体与线圈将发生碰撞。
图6示出了现有系统中的左线圈和右线圈的驱动电压对倾斜角关系的曲线图。在非对称力的情况下，只有两个音圈致动器的总和会产生线性函数。图7示出了现有系统中左线圈和右线圈的驱动电压对倾斜角的导数。可以看出，线圈的效率和线圈的力有很大的不同。现有系统存在的缺陷是，施加到相对的线圈的相同电压产生高度不对称的力。
因此，迫切需要一种用于角运动或球面运动的音圈定位系统，该音圈定位系统在现有装置或系统中不具有上述缺点。
发明内容
在一种实施例中，用于球面运动的驱动力是由弯曲的固定线圈和活动磁体(音圈)的结合产生的。能够产生的最大的力很大程度上取决于磁体与线圈之间的间隙。间隙越小，通过线圈绕组的磁通量密度越大，并且所产生的洛伦兹力也越大。对于线性驱动道，可以容易地实现小的间隙，但是对于角运动或球面运动则不容易实现小的间隙。因此，在一种实施例中，整个系统包括弯曲的“磁体和线圈”，用于在整个工作区域上获得更多的性能。
另外，致动器只有在一个小区域内才会产生最大的力。在一种实施例中，为了获得更好的直线性，线圈被分成两段或更多个段。分成段的线圈的优点是(除了一个小的过渡区域)只有上部线圈或下部线圈暴露于驱动电流。这允许系统将可用的电流朝向磁体磁极的实际位置集中。效率的增大是因为线圈的效率较低的部分被关闭，这减少了功率耗散和到非有效线圈的热量输入。
在一种实施例中，线圈是使用自粘合线制造的，该自粘合线缠绕在可移除的铁芯上并在高温下被“烘烤”。在“烘烤”之后，将线圈固定好形状并且可以移除铁芯。由于缺少线圈主体，因而在线圈与内部磁铁之间留有较小的间隙。另外，线圈的形状不是直的而是成角度的，以便更好地遵循弯曲的磁路。
在一种实施例中，通过将若干个较小的盘形磁体粘合成实物香蕉的形状(基于万向架的球面运动)来构建复合磁体。“工作”侧的最后一块磁体的直径稍大一些，以减小对于线圈的间隙。上方的较小的磁体通常用于将磁体的相反磁极保持在线圈外部(否则，力将相等)。对于较小的磁体，到线圈的间隙的大小没有影响，因为该设备仅使用位于香蕉形结构的底端处的磁通量。
一种实施方式通常使用可用的、简单的且便宜的盘形磁体，这是理想形状的弯曲磁体的经济替代品，该理想形状的弯曲磁体可以以更高的成本通过侵蚀而制造。
本发明的实施例提供了一种定位系统，包括：第一板；第二板，所述第二板通过枢轴耦接至所述第一板，并且能够相对于所述第一板绕至少一个轴线枢转；一对音圈致动器，所述一对音圈致动器被配置成使得所述第二板相对于所述第一板绕所述至少一个轴线旋转；以及处理器，所述处理器被配置成将电流驱动到所述一对音圈致动器；其中，所述一对音圈致动器包括：第一磁体结构和第二磁体结构，所述第一磁体结构和所述第二磁体结构以与所述至少一个轴线的距离相等且相对的的方式安装在所述第一板和所述第二板中的一者上；以及第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈安装在所述第一板和所述第二板中的另一者上，并且被定位成使得当所述第二板相对于所述第一板绕所述至少一个轴线旋转时，各自的第一磁体结构和第二磁体结构移入和移出于所述第一线圈和所述第二线圈；其中，所述第一磁体结构和所述第二磁体结构中的每一者基本上为弧形，该弧形的中心在所述至少一个轴线上并且半径等于所述磁体结构到所述至少一个轴线的距离。
附图说明
图1示出了一种现有的具有音圈致动器的快速转向镜系统。
图2A示出了施加在枢轴支撑件上的力不为零，图2B示出了左音圈力并且图2C示出了右音圈力。
图3示出了作为线圈位置的函数的线圈效率。
图4示出了用于固定磁体直径8mm的磁体与线圈之间的间隙宽度的关系的最大线圈效率。
图5示出了现有系统的角度范围，并且示出了由于球面运动引起的碰撞而导致的不可用区域。
图6示出了用于现有系统的驱动电压与倾斜角之间的关系。
图7示出了用于现有系统的驱动电压陡度与倾斜角之间的关系。
图8示出了根据一种实施例的系统的中性位置处的力。
图9示出了根据一种实施例的系统的倾斜位置处的力。
图10示出了根据一种实施例的系统的角度范围。
图11示出了用于根据一种实施例的系统的驱动电压与倾斜角之间的关系。
图12示出了用于根据一种实施例的系统的驱动电压陡度与倾斜角之间的关系。
图13示出了用于根据一种实施例的系统的驱动电压的线性与倾斜角之间的关系。
图14示出了用于根据一种实施例的三线圈系统的线圈效率与磁体位置之间的关系。
图15示出了根据一种实施例的音圈设计。
图16示出了根据一种实施例的移入和移出线圈组件的磁体结构。
图17是根据一种实施例的磁体结构和线圈组件的照片。
图18是根据一种实施例的定位系统的基座的透视图。
图19是根据一种实施例的定位系统的照片。
图20是根据一种实施例的定位系统的平台的照片。
图21是根据一种实施例的定位系统的基座的照片。
图22A-C示出了磁体在x方向和y方向上的空间要求。
图23示出了根据一种实施例的定位系统。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在本发明的实施例的描述中，对方位或方向的任何引用仅是为了便于描述，而不是以任何方式限制本发明的范围。相对术语，例如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为参考当时所描述的方向或在所讨论的附图中所示的方向。这些相对的术语仅仅是为了便于描述，并且不要求以特定的方向来构造或操作设备，除非明确地这样指出。除非另外明确地描述，否则诸如“附接”、“粘接”、“连接”、“耦接”、“互连”和类似术语指的是一种关系，其中，结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，并且两者活动地或刚性地附接或关联。此外，本发明的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，本发明显然不应该限制于示出了可以单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合的这样的示例性实施例；本发明的范围由所附的权利要求限定。
本公开描述了按照目前所设想的实施本发明的一个或多个最佳模式。本说明书并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本发明的一个示例，该示例仅出于说明性目的通过参考附图而提出，以向本领域普通技术人员告知本发明的优点和构造。在附图的各个视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图23示出了根据一种实施例的定位系统100。该系统包括第一板110；第二板120，所述第二板120耦接至所述第一板，并且可通过可枢转结构130相对于所述第一板围绕至少一个轴线枢转；一对音圈致动器，每个轴对应一对音圈致动器，所述一对音圈致动器被配置成使得所述第二板相对于所述第一板围绕所述至少一个轴线旋转；以及处理器140，所述处理器140被配置成将电流驱动到所述一对音圈致动器；其中，所述一对音圈致动器包括第一磁体结构150和第二磁体结构150，所述第一磁体结构150和所述第二磁体结构150以与所述至少一个轴线的距离相等且相对的方式安装在第一板上，以及第一线圈160和第二线圈160，所述第一线圈160和所述第二线圈160被安装在所述第二板上，并且被定位成使得当所述第二板相对于所述第一板围绕所述至少一个轴线旋转时，各自的第一磁体结构和第二磁体结构移入和移出于所述第一线圈和所述第二线圈；其中，磁体结构中的每一个基本上为弧形，该弧形的中心位于所述至少一个轴线上并且半径等于所述磁体结构到所述至少一个轴的距离。图23中还示出了传感器170，所述传感器170被配置成检测磁体结构的位置，并且所检测到的位置被反馈到所述处理器。输入装置180可以允许用户输入系统的期望旋转。
图8和图9示出了根据一种实施例的定位系统中的力。图8示出了当系统处于其中性位置时的力，即，倾斜角＝0°。左侧F1上的力的大小等于右侧F2上的力的大小。磁体在中性位置时位于线圈的中心。由于左侧的力和右侧的力相等并且相反，因此在轴承处产生的合力为零。图9示出了当系统处于倾斜位置时的力。由于垂直对称，两个力在所有的角度位置都保持平衡。因此，对于所有的角度，左侧F1上的力的大小等于右侧F2上的力的大小。对于所有的倾斜角度，所产生的合力ΔF为零或基本为零。由于两个力在所有角度位置保持平衡，因此在轴承上存在较小的应力，并且不存在不期望的机械共振刺激。
图10示出了根据一种实施例的磁体结构和线圈。可以看出，磁体堆包括多个盘形磁体，该多个盘形磁体被布置成基本上与旋转运动的弧相一致。在一种实施例中，该弧是半径等于线圈/磁体结构距枢轴(圆心)的距离的圆的±8°段。线圈被分成上部线圈段和下部线圈段。线圈被弯曲使得线圈的中间和两端的中心与旋转运动的弧基本上重合。
图11示出了上部线圈段和下部线圈段的驱动电压与倾斜角的关系。可以看出，在倾斜角的范围内，上部线圈段和下部线圈段中的每一者都具有低陡度区域(即，高效率)。因此，可以通过在倾斜角处于上部线圈段的有效范围内时接通上部线圈段，并且在倾斜角处于下部线圈段的有效范围内时接通下部线圈段来实现高的线圈效率。图12示出了上部线圈段和下部线圈段的驱动电压陡度与倾斜角的关系。在该示例中，当倾斜角在﹣8°与+1°之间时，下部线圈段被激活，并且当倾斜角在+1°与+8°之间时，上部线圈段被激活。图12还示出了其中可以发生上部下部线圈段与下部线圈段之间的切换的过渡范围。
图13示出了根据一种实施例的双线圈段，该双线圈段可以实现优异的线性度。图14示出了根据一种实施例的线圈的线圈效率，该线圈具有三个线圈段。通常，可以预期的是，具有多个线圈段的线圈可以用于实现高的线圈效率和驱动电压线性。该系统仅在其各自较高的有效范围内使用线圈段。最大驱动力可以是轴承的静态弹簧力的大约10倍。
图15示出了根据一种实施例的音圈设计。穹顶的一侧固定到板或反射镜上，而另一侧粘接到磁体结构上。在该示例性实施例中，该结构包括三个较小直径的盘形磁铁和一个较大的盘形磁铁。磁体被偏心地粘接在一起，以获得基本上遵循运动弧的期望的圆形形状，或者具有类似的弯曲设计以减小磁体结构与线圈之间的间隙，从而增加可获得的力(参见图16)。在中性位置(倾斜角＝0°)，较大磁体的磁极在两个线圈段之间居中。每个线圈段倾斜以基本上跟随磁体的运动弧。线圈由线圈壳体支撑。图17示出了根据一种实施例的音圈的照片。
在一种实施例中，定位装置能够进行球面运动。在定位装置中，平台耦接至基板，并且平台可相对于基板绕两个轴(例如，x轴和y轴)枢转。在一种实施例中，平台是可以在其上安装反射镜或其他光学元件的板。所述装置包括两对如上所述的音圈致动器。每对音圈致动器提供沿轴的角运动。例如，第一对音圈提供绕x轴的角运动，而第二对音圈提供绕y轴的角运动。图18示出了根据一种实施例的定位装置的基座。图19是根据一种实施例的定位系统的照片。图20是根据一种实施例的平台的照片，该平台具有可枢转的支撑结构和四个磁体结构。在一种实施例中，可枢转结构包括与x轴对准的一个或多个轴承以及与y轴对准的另外一个或多个轴承。图21是根据一种实施例的具有四个线圈的基板的照片。需要注意的是，磁体可以被安装在基板或平台上，并且线圈可以相应地被安装在平台或基板上。
对于围绕x轴和y轴的旋转，磁体在x方向和y方向上的空间要求是不同的。这种差异是由万向架轴承的原理给出的，因为一对磁铁受第二轴的影响更大。图22A是两对磁体的空间消耗的仿真图。而图22B示出了沿着x轴和y轴倾斜的磁体的空间消耗的侧视图。图22C示出了沿x轴和y轴倾斜的磁体的空间消耗的俯视图。因此，线圈轮廓的设计需要考虑磁体在x方向和y方向上的空间需求差异。选择两个方向上的宽高比以提供最佳的线圈效率。例如，x方向上的宽度/高度比为1.27，并且y方向上的宽度/高度比为1.45。
在一种实施例中，定位系统包括处理器，该处理器被配置成控制进入线圈的电流。处理器可以耦接至用于目标位置的输入，并且处理器可以耦接至一个或多个电流驱动器以驱动各自的音圈段。在一种实施例中，定位系统还包括传感器，该传感器被配置成检测磁体和/或平台相对于基座的位置/运动。所检测到的位置/运动可以用于向处理器提供反馈。
尽管已经相对于若干个所描述的实施例以某种长度和某些特性描述了本发明，但是本发明并不限于任何这样的细节或实施例或任何特殊的实施例，而应理解为为了鉴于现有技术提供最广泛的解释，并且因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人所预见的实施例描述了本发明，尽管目前尚未预知对本发明的非实质性修改，但是本发明仍可以表现出其等同形式。
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