一种谐振驱动旋转扫描系统的制作方法

专利名称：：一种谐振驱动旋转扫描系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及二维和三维扫描系统技术。
背景技术：
：三维扫描系统是按照时间顺序进行三维空间(坐标)立体扫描的系统，该系统作为驱动器，可以进行三坐标驱动，实现立体空间的定位或轨迹扫描；而作为传感器，则可以通过扫描系统的运动将三维空间的位置和运动信息转换为坐标和运动量的信号进行输出。三维扫描系统主要应用于三维加工与测量任务，在图形扫描、打印、信息存储(寻址)、图像处理、显微分析、光刻、轨迹跟踪、惯性传感和空间遥测等领域有着广泛应用，如计算机的光驱、硬盘和打印机、原子力显微镜和扫描共焦显微镜、机械雕刻机和扫描光刻机等都使用了二维或三维扫描系统。一维扫描系统可分为旋转扫描和直线扫描两大类型，旋转扫描通常用于极坐标定位系统，而直线扫描通常用于直角坐标定位系统。三维扫描系统需要三个正交(或三个以上非正交)的一维扫描系统的组合使用，以实现三维合成扫描。例如可以通过一个旋转扫描和两个直线扫描实现圆柱坐标方式的三维扫描，也可以通过两个旋转扫描和一个直线扫描实现球坐标方式的三维扫描，三个正交的直线扫描则构成直角坐标方式的三维扫描。现有技术在实现三维扫描系统时往往采用多层次结构的组合方式，即一维扫描结构和另一维扫描结构需要通过一个刚性边框进行连接，这种组合具有一系列缺点一是结构尺寸较大，不容易实现微型化；二是额外的框架结构增加了运动惯性，并要消耗驱动功率，不利于实现高速扫描；三是整体结构不对称，不容易实现正交两维的协调运动，特别是要实现螺旋扫描方式，这一缺点将更为突出。因此大多螺旋扫描系统都采用一个旋转扫描加一维直线扫描的组合方式，但这种结构在旋转中心的扫描速度较慢，并且旋转中心和扫描直线的对中精度对中心点的扫描结果有很大影响，更大的一个问题是这样的两维扫描往往需要基片和扫描头分别作一维扫描，否则扫描头的连接线将产生缠绕问题。传统的筛子就利用了人的双臂通过协调的摇动实现筛子旋转的技术。现代的小型化光学平台中，有采用多个铰链连接的直线驱动器实现三维倾转驱动的结构，这种倾转机构利用沿圆周呈花冠状排布的多个支撑臂的不对称伸缩实现平台的倾转，但这种结构是三维拉杆结构，很难实现一体化集成制作。在光盘驱动器中，有采用四个音圈电机(永磁_线圈驱动器)对光学头进行二维精密定位的系统，但该系统采用短直梁连接运动块，运动行程很小。在微机电系统(MEMS)中，有采用高深宽比的折叠梁连接中心质量块实现二维加速度传感的设计；在微光机电系统(MOEMS)中，有利用三个或四个环行梁实现二维倾转微镜的设计，但尚没有实现二维旋转扫描或三维均衡扫描的设计。
发明内容本发明针对现有技术存在的不足，提出一种谐振驱动旋转扫描系统，该系统为集成的扫描系统，可实现二维旋转扫描和三维均衡扫描。本发明的技术方案如下一种谐振驱动旋转扫描系统，它采用一种旋转对称的螺旋梁形成放大传动结构，所述放大传动结构通过静态的杠杆效应和动态的谐振效应实现运动行程的放大。所述系统包括中心驱动块、螺旋梁、驱动器和固定边框；所述中心驱动块位于整个系统的中心位置；所述螺旋梁采用2根、3根、4根、6根或8根，螺旋梁的顶端分别固定连接在中心驱动块上，且它们的固定位置在中心驱动块上沿圆周均勻分布，且以相同的螺旋长度以中心驱动块为旋转中心，均勻围绕在中心驱动块的四周；螺旋梁的末端通过由螺旋梁本体材料直接加工的转动铰链与固定边框固定，并在每根螺旋梁上靠近末端位置安装驱动器，对螺旋梁进行驱动和定位；所述驱动器采用电磁驱动器、静电驱动器、压电驱动器、磁致伸缩驱动器、光生应力驱动器或电热驱动器；所述中心驱动块通过中心安装孔固定扫描头，螺旋梁将驱动器的运动放大并传递给扫描头。所述螺旋梁的深宽比是5-201。本发明是一种集成扫描系统，通过谐振驱动实现旋转扫描，具有结构紧凑，可控性好，扫描精度高，可采用多种驱动器，并可进一步实现三维均衡扫描等一系列优点。图1是采用电磁驱动的谐振驱动旋转扫描系统的结构1(a)为主视图，图1(b)为正视图，图1(c)为A-A剖面图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁，4是转动铰链；5是驱动线圈，6是永磁体；7是固定边框，8是边框安装孔。图2是螺旋梁的布置2(a)是单层双螺旋梁结构，图2(b)是单层四螺旋梁结构，图2(c)是单层三螺旋梁结构，图2(d)是单层六螺旋梁结构，图2(e)是叠层八螺旋梁结构。图3是三维扫描系统的结构3(a)为主视图，图3(b)为El局部放大图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁，4是转动铰链；5-1是平面驱动线圈，5-2是垂直驱动线圈，6是永磁体，7是固定边框，8是边框安装孔。图4是静电驱动扫描系统的结构4(a)为主视图，图4(b)为E2局部放大图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁，4是转动铰链；9是动电极，9-1是绝缘层，10是定电极，10-1是绝缘层；7是固定边框，8是边框安装孔。图5是压电驱动扫描系统的结构5(a)为主视图，图5(b)为E3局部放大图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁；11是压电材料层，11-1和11-2是表面电极；7是固定边框，8是边框安装孔。图6是磁致伸缩驱动扫描系统的结构图图6(a)为主视图，图6(b)为E4局部放大图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁；12是磁致伸缩材料层，13是电磁铁，13-1是电磁铁磁芯，13-2是电磁铁线圈；7是固定边框，8是边框安装孔。图7是光生应力驱动扫描系统的结构7(a)为主视图，图7(b)为E5局部放大图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁；14是光生应力材料层，15是光源；7是固定边框，8是边框安装孔。图8是半导体热效应驱动扫描系统的结构8(a)为主视图，图8(b)为E6局部放大图。其中，1是中心驱动块，2是扫描头安装孔；3是螺旋梁；16是热应变材料层，17是半导体电热片层；7是固定边框，8是边框安装孔。图9是非均勻扫描的点阵图。图10是均勻扫描的点阵图。具体实施例方式以下结合附图详细说明本
发明内容本发明提出谐振驱动旋转扫描系统如图1所示，其中1为位于扫描结构中心的中心驱动块，该中心驱动块1即为所有螺旋梁3的中心，该中心驱动块1的中心有安装孔2，可以安装扫描头。3为四个旋转对称的具有高深宽比(深度与宽度之比为10/1左右)的螺旋梁，螺旋梁3的顶端固定连接在中心驱动块1上，它们的固定位置在中心驱动块1上沿圆周均勻分布，且以相同的螺旋长度，以中心驱动块1为旋转中心，均勻布置在中心驱动块1的四周。螺旋梁3的末端分别通过转动铰链4固定在固定边框7上。在四个螺旋梁3外侧面的根部(即靠近铰链的地方)，分别固定安装四个驱动线圈5，在固定边框7内侧面正对四个线圈的地方固定安装有四个永磁体6，这些永磁体6与驱动线圈5—起构成音圈电机类型的电磁驱动器。固定边框7为正方形边框，为刚性边框，可支撑整个扫描系统，并可通过四个均布的安装孔8固定在外部底座上。除驱动线圈5和永磁体6需要安装外，整个扫描系统为一体化结构，可采用一块均勻厚度的高弹性板材(如弹性较好的塑料、金属、陶瓷或玻璃)，通过精密(机械)加工技术制作，也可通过精密铸造方法进行一次成型制作。以下对本发明的技术细节及技术效果作具体描述螺旋梁传动结构根据悬臂梁理论，在顶端受力情况下，梁的位移与梁宽的一次方成反比，与梁长的三次方成正比，与梁厚的三次方成反比，且位移大的地方应力较小，位移小的地方应力大，为了避免应力集中，实现应力的均勻分布，并获得可靠的力传递，可以将螺旋梁的宽度渐变(随长度增加逐渐减窄)，使螺旋梁的刚度随之逐渐减小，从而实现顶端变形大，可实现较大的运动行程，而底端强度大，可承受较大驱动力。本发明传动结构的螺旋梁按旋转对称方式布置，数目一般为4个，但也可以少于或多于4个，四梁结构可以实现正交驱动，运动灵活性、稳定性和可控性均较好；少于四梁的结构运动灵活性更大，但稳定性相对较差；多梁结构可以视为复合梁结构，其稳定性更好，但运动灵活性有所下降。固定边框7则可采用正多边形或圆形。采用2个螺旋梁的结构如图2(a)所示，采用4个螺旋梁的结构如图2(b)所示，采用3个螺旋梁的结构如图2(c)所示，采用6个螺旋梁的结构如图2(d)所示。此外，可以采用叠层的方法实现更多螺旋梁的结构，如图2(e)所示，将两个相同的四螺旋梁的扫描结构上下重叠(中间可保留一定间隙)，并使两层结构的边框和中心扫描块刚性固定连接，则构成一个八螺旋梁的扫描结构。转动铰链转动铰链4是对螺旋梁3本体材料经过直接加工成形的结构，可以是沿螺旋梁3根部的延伸方向的双凹面结构，如图1所示，也可以是垂直于螺旋梁根部延伸方向上的双凹面结构，但是为了实现较大的转动角度，需要较长的铰链，可以考虑采用圆弧形结构延长铰链的变形部位，减小应力集中。如图3所示，转动铰链4也可以是圆弧形转动铰链。同时，圆弧形转动铰链在Z方向也具有一定的挠性，可以构成三维活动铰链。此外，转动铰链4采用圆弧结构，并使其固定端在永磁体一侧，则可以利用铰链的推拉刚度差异，补偿线圈作推挽驱动时电磁驱动力的差异，使驱动结构的对称性和线性更好。当然，转动铰链也可以采用转簧或转轴代替(即螺旋梁的根部通过一个转轴固定在固定边框上，并使螺旋梁的根部可以绕转轴自由转动)，当采用转簧结构时，螺旋梁的驱动机构相当于指针式电流计结构，当采用转轴结构时，螺旋梁的驱动机构通常采用摇摆马达结构。三维扫描的实现通过模态和谐响应分析可知，高深宽比螺旋梁结构在三个正交坐标轴方向具有近平相同的刚度和谐振频率，并与其它谐振模态有很大差别，因此螺旋梁扫描系统不仅可实现平面内完全对称的二维扫描，而且可以实现均衡的三维扫描。如图3所示，三维扫描的实现可以通过在螺旋梁3的根部沿Z轴方向(垂直于扫描平面的方向)安装另一个线圈驱动器，则可以同时实现平面内的X/Y方向驱动和Z方向驱动，进而实现中心驱动块1的三维扫描。电磁驱动器及驱动方式驱动线圈5和对应永磁体6构成一个电磁驱动器，该驱动器通过流经线圈的电流产生电磁场，并与永磁体的磁场产生相互作用，该作用力驱动线圈产生加速或减速运动。同一方向(X轴方向或Y轴方向)上的两个电磁驱动器线圈(对称的两个螺旋梁上的各一个线圈)的绕线方向是相反的，因而可以串联使用，当一相同电流加在两个线圈上时，其中一个线圈与对应永磁体产生推力，而另一个线圈与对应永磁体产生拉力，从而形成一种推挽式驱动，其合力为同一方向的驱动力，可驱动螺旋梁偏转，并通过螺旋梁的传动，使驱动块实现该方向的一维扫描运动。采用线圈-永磁体驱动器不仅可以进行驱动，而且可以进行位置和速度传感，因而还可以通过反馈控制实现更精确的驱动，即该驱动器既可以进行开环驱动也可以进行闭环驱动。图1所示扫描系统只有X轴和Y轴的电磁驱动器，因而只能驱动螺旋梁作平面内的偏转，使扫描头作平面内的扫描；图3所示扫描系统除了有平面内(X轴和Y轴方向)的驱动器(该驱动器由平面驱动线圈5-1和正对的永磁体6构成)外，还有Z轴方向的电磁驱动器(该驱动器由平面驱动线圈5-2和正对的另一永磁体构成)，因而能够驱动螺旋梁作平面内和平面外(Z轴方向)的偏转，使扫描头作三维扫描，(图上只画了一个永磁体，另一永磁体在扫描平面外)。谐振传动方式的实现该中心对称的螺旋形扫描系统在正交的χ轴方向和y轴方向(或两个对角线方向)具有相同的谐振模态，其谐振频率是同一定值，当该方向的一对驱动线圈中施加的电流信号为同频率的振荡信号(如正弦或余弦信号)时，线圈驱动力将使扫描系统发生谐振，产生大振幅的一维振动(即一维扫描运动)。如果忽略阻尼力，则谐振驱动可实现振幅随时间递增的振荡，这种振荡通过二维合成，可以用于实现螺旋扫描。在有振动阻尼情况下，可以通过外加信号对阻尼进行补偿，从而实现无阻尼或特定阻尼特性的振动驱动。多种扫描方式的实现当χ轴方向和y轴方向上的两对线圈施加相同的驱动信号(如正弦或余弦信号)，扫描块作45°角的对角线方向的直线扫描运动。当χ轴方向上的一对线圈施加快速扫描信号(如频率较高的正弦信号)，而y轴方向上的一对线圈施加慢速扫描信号(如频率较低的正弦信号)时，扫描块作光栅式平面扫描运动。当χ轴方向上的一对线圈施加正弦驱动信号，而y轴方向上的一对线圈施加余弦驱动信号时，扫描块作圆周扫描运动(即旋转扫描)，如果扫描半径随时间递增或递减，则可以实现螺旋扫描。该扫描系统的几种扫描方式参见表1。表一扫描系统驱动方式及扫描方式<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>均勻平面扫描的实现在进行平面螺旋扫描时，常常希望实现均勻(点阵)扫描，即驱动块在平面各点(微小区域)的停留时间是相同的。螺旋扫描在切向的均勻性取决于旋转扫描线速度，根据分析，如果扫描角度与时间的平方根成正比，则可以实现勻速旋转扫描，因而可实现切向的扫描均勻性。螺旋扫描径向的均勻性取决于螺距，等螺距的螺旋线可实现扫描轨迹在径向的均勻性(即轨迹线在径向按螺距等分)，根据分析，只有径向速度与切向速度成正比则可以实现等螺距的螺旋线。图10是均勻扫描的点阵图，作为对比，图9给出了非均勻扫描的点阵图，一般来说，均勻扫描点阵是线性扫描器所希望得到的。其它驱动器及驱动方式其它可能的驱动器或驱动方式包括静电驱动、压电驱动、磁致伸缩驱动、光生应力驱动和热驱动，其中静电驱动与线圈_永磁体驱动器的结构类似，采用分离的相互作用的双极产生极性作用力，而光生应力驱动、热驱动和磁致伸缩驱动方式与压电驱动结构类似，采用膨胀或收缩效应制造体应力的方式产生驱动作用。所有这些结构均可以同时实现驱动和传感作用，因而可以实现运动的反馈控制。静电驱动方式采用静电驱动方式的扫描系统如图4所示，静电驱动器由静电极10和动电极9组成，采用梳齿结构，其中动电极9通过一个绝缘层9-1固定在螺旋梁的末端外侧，定电极10则通过另一绝缘层10-1固定在固定边框7内侧，与动电极9位置相对，两者配合形成梳子电极结构，通过在两个电极上施加电压，则电极之间将产生静电引力或斥力，该作用力驱动螺旋梁产生偏转。梳齿结构可以增加电极板面积和改善驱动器的线性，静电驱动器对电极间隙距离非常敏感，电极的加工精度要求很高，因而一般用于微机电系统(MEMS)中。压电驱动方式采用压电驱动方式的扫描系统如图5所示，在螺旋梁的末端采用压电材料制作成双材料梁(即梁的一面为压电材料层11，另一面为非压电材料层)结构，在压电材料层11的正反两面上分别有一层表面电极11-1和11-2，(当然，可以利用导电的非压电材料层作为一个电极板)，当两个电极板上施加电压时，电场使压电材料中产生内应力，进而通过双材料梁效应(由于材料层的非对称性在梁中产生应力梯度)实现梁的偏转驱动。采用压电双材料梁驱动结构的好处是避免了精密铰链的加工，并使驱动力在较长的双材料梁上均勻分布，更好地避免应力集中和应力破坏。压电驱动的缺点是需要制作双材料梁，且通常需要较高的电源电压。磁致伸缩驱动方式采用磁致伸缩驱动方式的扫描系统如图6所示，在螺旋梁3的末端的外侧采用磁致伸缩材料制作一层磁致伸缩材料层12，成为双材料梁结构，在与磁致伸缩材料层12的相对的固定边框7的内侧面固定马蹄型电磁铁13，该电磁铁由铁芯13-1和线圈13-2构成，马蹄型电磁铁13通电时将产生磁场，该磁场作用于磁致伸缩材料层12，使其产生伸缩形变，由于双材料梁效应，螺旋梁3将产生相应的偏转。磁致伸缩驱动器属于非接触场效应驱动方式，但也可以采用闭合磁路的接触驱动方式，这种驱动方式类似压电驱动。由于需要电磁铁，磁致伸缩驱动器的体积相对较大，但产生的驱动力也较大。光生应力驱动方式采用光生应力驱动方式的扫描系统如图7所示，在螺旋梁的末端的外侧面采用光生应力材料(光敏相变材料)制作光生应力材料层14，形成双材料梁结构，在光生应力材料层14相对的固定边框7内侧面固定面光源15(如发光二极管面阵)，面光源15产生的光作用于光生应力材料层14，使其产生内应力，驱动螺旋梁3产生相应的偏转。光生应力驱动方式的优点是非接触驱动，且响应时间很短(亚微秒量级)，但产生的驱动力相对较小。热驱动方式采用热驱动方式的扫描系统如图8所示，在螺旋梁3的末端采用热应变材料(热胀系数大的材料或形状记忆合金)制作热应变材料层16，形成双材料梁结构，但在热应变材料层16与螺旋梁材料的中间夹有一半导体电热片层17，该半导体电热片层17在电流作用下使其一面加热而另一面致冷，从而使双材料梁一面产生膨胀热应变，而另一面收缩热应变，驱动螺旋梁3偏转。虽然热驱动可以采用任意的非对称热应变驱动方式，但半导体热电片提供的热驱动具有效率高和可双向驱动的独特优点。此外，形状记忆合金是一种具有可逆大变形的热相变材料，可产生较大的热应力或应变，因此热驱动方式可以产生较大的驱动力，但响应时间相对较长(毫秒量级)。权利要求一种谐振驱动旋转扫描系统，所述系统采用旋转对称的螺旋梁形成放大传动结构，所述放大传动结构通过静态的杠杆效应和动态的谐振效应实现运动行程的放大；其特征在于所述系统包括中心驱动块、螺旋梁、驱动器和固定边框；所述中心驱动块位于整个系统的中心位置；所述螺旋梁采用2根、3根、4根、6根或8根，螺旋梁的顶端分别固定连接在中心驱动块上，且它们的固定位置在中心驱动块上沿圆周均匀分布，且以相同的螺旋长度以中心驱动块为旋转中心，均匀围绕在中心驱动块的四周；螺旋梁的末端通过由螺旋梁本体材料直接加工的转动铰链与固定边框固定，并在每根螺旋梁上靠近末端位置安装驱动器，对螺旋梁进行驱动和定位；所述驱动器采用电磁驱动器、静电驱动器、压电驱动器、磁致伸缩驱动器、光生应力驱动器或电热驱动器；所述中心驱动块通过中心安装孔固定扫描头，螺旋梁将驱动器的运动放大并传递给扫描头；所述螺旋梁的深宽比是5-20∶1。2.根据权利要求1所述的谐振驱动旋转扫描系统，其特征是所述采用4根螺旋梁的旋转扫描系统为正交驱动的谐振驱动旋转扫描系统，而采用8根螺旋梁的旋转扫描系统是上下两个完全相同的四螺旋梁结构的重叠组合而成。3.根据权利要求1所述的谐振驱动旋转扫描系统，其特征是所述驱动器采用电磁驱动器，由驱动线圈和永磁体构成，驱动线圈固定安装在每根螺旋梁靠近末端的外侧面位置，永磁体安装在固定边框内侧面正对驱动线圈的位置，永磁体与驱动线圈一起构成音圈电机类型的电磁驱动器；所述每根螺旋梁采用位于平行于扫描平面的安装面内和垂直于该安装面方向的两个电磁驱动器实现三维扫描。4.根据权利要求1所述的谐振旋转扫描系统，其特征是所述驱动器采用梳子电极结构的静电驱动器，由静电极和动电极组成，动电极固定在每根螺旋梁靠近末端的外侧面位置，静电极固定在固定边框内侧面的相对位置，两者配合形成梳子电极结构。5.根据权利要求1所述的谐振旋转扫描系统，其特征是所述驱动器采用压电驱动器，该压电驱动器由固定在每根螺旋梁靠近末端位置的压电片构成，压电片平贴在螺旋梁的外侧面，和螺旋梁构成双材料梁结构，在电压作用下发生偏转，从而驱动螺旋梁。6.根据权利要求1所述的谐振旋转扫描系统，其特征是所述驱动器采用磁致伸缩驱动器，该驱动器由固定在每根螺旋梁靠近末端位置的磁致伸缩片和对应的固定在固定边框内侧面上的电磁铁构成，通过电磁铁的磁力使磁致伸缩片产生伸缩应力从而驱动螺旋梁的偏转。7.根据权利要求1所述的谐振旋转扫描系统，其特征是所述驱动器采用光生应力驱动器，在每根螺旋梁靠近末端位置制作有光生应力材料层，其与螺旋梁构成双材料梁结构，在光生应力材料层的对面有固定在固定边框上的面光源，面光源产生的光作用于光生应力材料使其产生内应力，驱动螺旋梁产生相应的偏转。8.根据权利要求1所述的谐振旋转扫描系统，其特征是所述驱动器采用电热驱动器，在每根螺旋梁靠近末端位置制作有热应变材料层，其与螺旋梁构成双材料梁结构，在热应变材料层与螺旋梁之间夹有一半导体电热片层，该半导体电热片层在电流作用下使其一面加热而另一面致冷，从而使螺旋梁一面产生膨胀热应变，而另一面收缩热应变，驱动螺旋梁偏转。9.根据权利要求1所述的谐振驱动旋转扫描系统，其特征是所述螺旋梁采用宽度渐变结构，从末端至顶端随长度增加而宽度逐渐减窄。全文摘要本发明提出一种谐振驱动旋转扫描系统，所述系统包括中心驱动块、螺旋梁和固定边框，它采用一种中心对称的螺旋梁传动结构，螺旋梁的顶端固定连接在中心驱动块上，且它们的固定位置在中心驱动块上沿圆周均匀分布，且以相同的螺旋长度以中心驱动块为旋转中心，均匀布置在中心驱动块的四周；螺旋梁的末端通过由螺旋梁本体材料直接加工的转动铰链与固定边框固定，并在每根螺旋梁上靠近末端位置安装驱动器，通过平面内两个正交方向的电磁驱动器进行驱动和定位，驱动器通过螺旋梁连接扫描头，该螺旋梁可以将驱动器的运动放大并传递给扫描头，该放大传动结构通过静态的杠杆效应和动态的谐振效应实现运动行程的放大。文档编号H04N1/04GK101808181SQ201010124229公开日2010年8月18日申请日期2010年3月15日优先权日2010年3月15日发明者张流强申请人:重庆大学