一种大振动幅度的光纤扫描器的制作方法

本发明涉及光纤扫描驱动结构技术领域，尤其涉及一种大振动幅度的光纤扫描器。

背景技术：

光纤扫描器是一种利用光纤悬臂在正交方向上的共振特性来实现静态或动态图像扫描功能的新型扫描器，相比于mems(micro-electro-mechanicalsystem；微机电系统)扫描器，光纤扫描器的体积更小，成本更低，而且制造工艺简便，更易集成。

目前的光纤扫描器中，由于光纤悬臂长度与光纤弯折损耗的共同限制，光纤悬臂出射端的扫描角度并不能做到很大。若光纤弯折至曲率半径过小时，则光纤内的激光能量会大幅衰减；同时，由于在光纤扫描器中光纤悬臂长度一般较小，这更加限制了光纤的可弯折范围。在美国专利us10880008中记载的用于扫描内窥镜的光纤扫描器，其结构原理与本专利中用于显示的光纤扫描器基本相同，该专利中的光纤悬臂长度为8mm，光纤悬臂出射端的扫描角度仅为11°，该专利中扫描角度主要受光纤的弯折损耗所限制。若想通过加长光纤悬臂长度来加大扫描角度更不可取，其会导致光纤扫描器的体积增大、光纤悬臂控制难度加大、图像随机噪声增大。

综合因素下，光纤悬臂的摆动范围或可摆动角度无法做到很大，这也就限制了单个光纤扫描器所能够扫描显示的图像过小，相应的可能会影响显示图像的分辨率、画质等参数。

另一方面，由于光纤扫描器的光纤悬臂驱动部件多采用压电陶瓷，其本身振幅无法做到很大；尽管通过增大驱动电压可以增大扫描器的摆动幅度，从而增大光纤的扫描幅度，但扫描器本身的响应与驱动之间并非线性，随着驱动的增大，扫描器振动幅度增速放缓，并逐渐趋于饱和直至扫描器被击穿，因此此方法能力有限。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种大振动幅度的光纤扫描器，用以解决现有光纤扫描装置扫描幅度小的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种大振动幅度的光纤扫描器，包括光纤和多级扫描致动器，多级扫描致动器的两端分别为固定端和自由端，光纤以悬臂支撑的方式安装于多级扫描致动器的自由端，以多级扫描致动器的固定端相对于自由端所处的方位为后，

所述的多级致动器包括多个沿从后向前的方向依次连接的扫描致动器，各扫描致动器的两端也分别为固定端和自由端，任意两个相邻的扫描致动器中，位于前侧的扫描致动器的固定端与位于后侧的扫描致动器的自由端固定连接，

各扫描致动器的自由端沿相同的至少一个轴同步振动，且所有的扫描致动器以及光纤悬臂的大振幅振动频率范围具有重叠部分。

从而，当以相同的频率同步激励各扫描致动器时，当然该频率包含在所述重叠部分，从而各扫描致动器均能获得大振幅且同步振动，通过逐级的放大，可以在不改变光纤悬臂的长度的前提下，使得光纤悬臂的末端获得大振幅，且振动频率仍为光纤悬臂的大振幅振动频率。

故设计多级扫描致动器时，应尽量使各扫描致动器的大振幅振动频率范围彼此重合或尽可能有最大的重叠部分，通过逐级的共振放大，可以使扫描器的驱动放大幅度达到更优的效果。

所述的多级致动器可以包含多个扫描致动器，如两个、三个或任意多个，可根据实际使用需求确定扫描致动器的数量。

所述的各扫描致动器的自由端沿相同的至少一个轴同步振动是指：

各扫描致动器的自由端沿相同的一个轴同步振动；或

各扫描致动器的自由端同时沿相同的两个轴振动，且各扫描致动器在各个轴上均同步振动；或

各扫描致动器的自由端同时沿相同的多个轴振动，且各扫描致动器在各个轴上均同步振动。

当扫描致动器同时沿多个轴振动时，这些轴共面且互不平行。

所述的同步振动是指在任意时刻各扫描致动器的自由端均具有相同的振动方向。

所述的扫描致动器的大振幅振动频率范围是指能够使该扫描致动器获得的大振幅的激励频率范围。扫描致动器在共振频率的激励下能够获得最大振幅，所述的大振幅是指接近所述最大振幅的振幅，可以根据实际工况需要确定所述大振幅的范围，例如，所述大振幅可以是指振幅不小于90％最大振幅的振幅、不小于85％最大振幅的振幅、不小于80％最大振幅的振幅、或不小于70％最大振幅的振幅等等。

光纤以悬臂支撑的方式安装是指，光纤与多级扫描致动器的自由端固定连接，且光纤的前端超出多级扫描致动器的自由端形成光纤悬臂。更准确的，光纤是与位于最前侧的扫描致动器的自由端固定连接，且光纤的前端超出该扫描致动器的自由端形成光纤悬臂。光纤可以通过粘接、焊接或通过连接件连接等方式与扫描驱动器固定连接。

进一步的，所述的各扫描致动器均可为压电致动器，所述的压电致动器包括双压电晶片致动器、压电材料管致动器、多层管嵌套压电材料致动器或片状堆叠压电材料致动器。即，各扫描致动器均可为双压电晶片致动器、压电材料管致动器、多层管嵌套压电材料致动器或片状堆叠压电材料致动器中的任意一种。

所述的双压电晶片致动器包括中部隔离片，中部隔离片的两侧贴覆有一片压电材料片，每个压电材料片的两个平行于中部隔离片的表面均设置有一层电极层。

所述的压电材料管致动器包括压电材料管，压电材料管的外表面设置有至少一对关于压电材料管的轴心线对称的外电极，压电材料管的内表面设置有与所述外电极相配合的内电极。以实现当内电极和外电极连接外部驱动器件后，该扫描致动器沿其对应的轴振动。压电材料管的内孔被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形，压电材料管的侧表面的被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形。

所述的多层管嵌套压电材料致动器包括至少两层压电材料管，所述的压电材料管沿径向依次紧密套装，每层压电材料管的外部均设置有至少一对关于压电材料管的轴心线对称的外电极，每层压电材料管的内部均设置有与所述外电极相配合的内电极。同样的，各层压电材料管的内孔被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形，压电材料管的侧表面的被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形。优选的，压电材料管的内孔被垂直于轴线的截面截得形状与压电材料管的侧表面的被垂直于轴线的截面截得形状相同。

所述的多层管嵌套压电材料致动器的各层压电材料管的外电极在周向上的分布位置相对应。即，各层压电材料管的上具有相同功能的外电极在周向上位于同一个位置，并沿径向依次排布。所述的相同功能是指各相同功能的外电极驱动各层压电材料管沿同一轴同步振动；也就是，各层压电材料管的内电极和外电极连接外部驱动器件后，各层压电材料管的自由端在任意时刻均沿相同的方向同步振动。更为优选的，各层压电材料管的外电极的对数相同且在周向上的分布位置相同。

可选的，所述的多层管嵌套压电材料致动器中任意一个位于外层的压电材料管的内电极与位于该层压电材料管内侧且与该层压电材料管紧邻的压电材料管的外电极间设置有电隔离层。此时，各层压电材料管的内电极均既可以设置为多个与至少一个外电极相对应的内电极分部，也可以为涂覆满整个压电材料管内壁的电极层。所述各内电极分部间可以相互绝缘或电连接。通过采用多层压电材料管嵌套的结构可以加大致动器的振幅。

可选的，所述的多层管嵌套压电材料致动器中任意一个位于外层的压电材料管的内电极与位于该层压电材料管内侧且与该层压电材料管紧邻的压电材料管的外电极为同一电极。此时，各位于外层的压电材料管的各内电极即为位于其内侧且紧邻的压电材料管的外电极。每个压电材料管的各内电极和各外电极均为一一对应的关系。

所述的片状堆叠压电材料致动器包括中部隔离片，中部隔离片的一侧依次堆叠有多个平行于中部隔离片的第一压电材料片，中部隔离片的另一侧依次堆叠有多个平行于中部隔离片的第二压电材料片，每个第一压电材料片和每个第二压电材料片均具有两个平行于中部隔离片的第一表面，每个第一压电材料片和每个第二压电材料片的第一表面均布设有一层电极。

可选的，位于任意两个相邻第一压电材料片之间或任意两个相邻第二压电材料片之间的两层电极之间设置有电隔离层。或可选的，任意两个相邻第一压电材料片之间或任意两个相邻第二压电材料片之间共用一层电极。

优选的，各扫描致动器的各电极均连接有薄膜导电层，各薄膜导电层均绝缘贴覆于多级扫描致动器的表面并延伸至多级扫描致动器的固定端以通过导线连接外部器件。

相邻扫描致动器之间可以通过焊接、粘接剂粘接、卡扣连接、螺钉连接、一体成型等固定方式实现两个扫描致动器之间的固定连接。优选的，多级扫描致动器采用一体成型的方式制成，相邻扫描致动器之间通过一体成型工艺实现固定连接。

胶粘或卡扣的方式会由于长时间的高频振动导致连接松动，直接影响扫描器的振动性能，而螺钉的固定方式则体积稍大，结构稍显复杂，并且现有固定方式工艺难度大、制作耗时、重复性差、良品率低。采用一体成型可大大降低制作过程中的难度并且提升器件可靠性，同时可以防拆卸、防解体，增大整体可靠性和耐用性。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

当以相同的频率同步激励各扫描致动器时，各扫描致动器均能获得大振幅且同步振动，通过逐级的放大，可以在不改变光纤悬臂的长度的前提下，使得光纤悬臂的末端获得大振幅，且振动频率仍为光纤悬臂的大振幅振动频率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为双压电晶片致动器的结构示意图；

图3为压电材料管致动器的结构示意图；

图4为多层管嵌套压电材料致动器的结构示意图；

图5为多层管嵌套压电材料致动器的另一种结构示意图；

图6为片状堆叠压电材料致动器的结构示意图；

图7为片状堆叠压电材料致动器的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种大振动幅度的光纤扫描器，用以解决现有光纤扫描装置扫描幅度小的技术问题。

如图1所示，本发明实施例提供一种大振动幅度的光纤扫描器，包括光纤2和多级扫描致动器1，多级扫描致动器1的两端分别为固定端101和自由端102，光纤以悬臂支撑的方式安装于多级扫描致动器1的自由端102，以多级扫描致动器1的固定端101相对于自由端102所处的方位为后，

所述的多级致动器11包括多个沿从后向前的方向依次连接的扫描致动器11、12、13、14，各扫描致动器的两端也分别为固定端和自由端，任意两个相邻的扫描致动器中，位于前侧的扫描致动器的固定端与位于后侧的扫描致动器的自由端固定连接，

各扫描致动器的自由端沿相同的至少一个轴同步振动，且所有的扫描致动器以及光纤悬臂的大振幅振动频率范围具有重叠部分。

从而，当以相同的频率同步激励各扫描致动器时，当然该频率包含在所述重叠部分，从而各扫描致动器均能获得大振幅且同步振动，通过逐级的放大，可以在不改变光纤悬臂的长度的前提下，使得光纤悬臂的末端获得大振幅，且振动频率仍为光纤悬臂的大振幅振动频率。

故设计多级扫描致动器时，应尽量使各扫描致动器的大振幅振动频率范围彼此重合或尽可能有最大的重叠部分，通过逐级的共振放大，可以使扫描器的驱动放大幅度达到更优的效果。

共振频率区域的重合调节方式具体如下：光纤悬臂的共振频率与长度有关，当扫描规格确定后，就确立了光纤悬臂的长度。扫描致动器本身的共振频率与其形状规格(如截面形状、截面尺寸、长度等)以及负载有关。以图1所示实施例为例，首先确定紧接光纤的扫描致动器14的形状规格(光纤悬臂是其负载)，使其大振幅振动频率范围与光纤的大振幅振动频率范围一致或有重合，然后扫描致动器14和光纤一起作为扫描致动器13的负载，然后确定扫描致动器13的形状规格，使其大振幅振动频率范围与光纤的大振幅振动频率范围一致或有重合。照此方法依次进行，直到确定最远端的扫描致动器11的形状规格，使各级扫描器的大振幅振动频率范围与光纤的大振幅振动频率范围一致或有重合，从而实现逐级放大得到较大的扫描范围。

每个扫描致动器根据各自的响应特性，激励之间彼此带有不同的延时值。

所述的多级致动器可以包含多个扫描致动器，如两个、三个或任意多个，可根据实际使用需求确定扫描致动器的数量。本实施例中，如图1所示，多级致动器包含有四个扫描致动器11、12、13、14。

所述的各扫描致动器的自由端沿相同的至少一个轴同步振动是指：

各扫描致动器的自由端沿相同的一个轴同步振动；或

各扫描致动器的自由端同时沿相同的两个轴振动，且各扫描致动器在各个轴上均同步振动；或

各扫描致动器的自由端同时沿相同的多个轴振动，且各扫描致动器在各个轴上均同步振动。

当扫描致动器同时沿多个轴振动时，这些轴共面且互不平行。

所述的同步振动是指在任意时刻各扫描致动器的自由端均具有相同的振动方向。

所述的扫描致动器的大振幅振动频率范围是指能够使该扫描致动器获得的大振幅的激励频率范围。扫描致动器在共振频率的激励下能够获得最大振幅，所述的大振幅是指接近所述最大振幅的振幅，可以根据实际工况需要确定所述大振幅的范围，例如，所述大振幅可以是指振幅不小于90％最大振幅的振幅、不小于85％最大振幅的振幅、不小于80％最大振幅的振幅、或不小于70％最大振幅的振幅等等。

光纤以悬臂支撑的方式安装是指，光纤2与多级扫描致动器1的自由端固定连接，且光纤2的前端超出多级扫描致动器1的自由端形成光纤2悬臂。更准确的，光纤2是与位于最前侧的扫描致动器的自由端固定连接，且光纤2的前端超出该扫描致动器的自由端形成光纤2悬臂。光纤2可以通过粘接、焊接或通过连接件连接等方式与扫描驱动器固定连接。

进一步的，所述的各扫描致动器均可为压电致动器，所述的压电致动器包括双压电晶片致动器、压电材料管致动器、多层管嵌套压电材料致动器或片状堆叠压电材料致动器。即，各扫描致动器均可为双压电晶片致动器、压电材料管致动器、多层管嵌套压电材料致动器或片状堆叠压电材料致动器中的任意一种。

如图2所示，所述的双压电晶片致动器包括中部隔离片101，中部隔离片101的两侧均贴覆有一片压电材料片102，每个压电材料片102的两个平行于中部隔离片101的表面均设置有一层电极层103。

如图3所示，所述的压电材料管111致动器包括压电材料管111，压电材料管111的外表面设置有至少一对关于压电材料管111的轴心线对称的外电极112，压电材料管111的内表面设置有与所述外电极112相配合的内电极113。以实现当内电极113和外电极112连接外部驱动器件后，该扫描致动器沿其对应的轴振动。压电材料管111的内孔被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形，压电材料管111的侧表面的被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形。

如图4所示，所述的多层管嵌套压电材料致动器包括至少两层压电材料管121，所述的压电材料管121沿径向依次紧密套装，每层压电材料管121的外部均设置有至少一对关于压电材料管121的轴心线对称的外电极122，每层压电材料管121的内部均设置有与所述外电极122相配合的内电极123。同样的，各层压电材料管121的内孔被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形，压电材料管121的侧表面的被垂直于轴线的截面截得形状可以为圆形、方形或多边形。优选的，压电材料管121的内孔被垂直于轴线的截面截得形状与压电材料管121的侧表面的被垂直于轴线的截面截得形状相同。

所述的多层管嵌套压电材料致动器的各层压电材料管121的各个外电极122和内电极123均连接外部驱动电路，以通过电极向各层压电材料管121施加交变电场。各层压电材料管121沿径向极化，每对关于压电材料管121的轴心线对称的外电极122及与之对应的内电极123，在同一时刻驱动该压电材料管121做相反方向的伸缩，即每对外电极中的一个外电极122及其内电极123驱动位于其范围内的压电材料管1212伸长时，另一个外电极122及其内电极123驱动位于其范围内的压电材料管121同步缩短；反之亦然。从而使得压电材料管121沿垂直于轴线的一个方向振动。

所述的多层管嵌套压电材料致动器的各层压电材料管121的外电极122在周向上的分布位置相对应。即，各层压电材料管121的上具有相同功能的外电极122在周向上位于同一个位置，并沿径向依次排布。所述的相同功能是指各相同功能的外电极驱动各层压电材料管沿同一轴同步振动；也就是，各层压电材料管121的内电极122和外电极123连接外部驱动器件后，各层压电材料管121的自由端在任意时刻均沿相同的方向同步振动。更为优选的，各层压电材料管121的外电极123的对数相同且在周向上的分布位置相同。

可选的，如图4所示，所述的多层管嵌套压电材料致动器中任意一个位于外层的压电材料管121的内电极123与位于该层压电材料管121内侧且与该层压电材料管121紧邻的压电材料管121的外电极122间设置有电隔离层。此时，各层压电材料管121的内电极123均既可以设置为多个与至少一个外电极相对应的内电极分部，也可以为涂覆满整个压电材料管内壁的电极层。所述各内电极分部间可以相互绝缘或电连接。通过采用多层压电材料管嵌套的结构可以加大致动器的振幅。

可选的，如图5所示，所述的多层管嵌套压电材料致动器中任意一个位于外层的压电材料管121的内电极与位于该层压电材料管内侧且与该层压电材料管紧邻的压电材料管121的外电极为同一电极124。此时，各位于外层的压电材料管的各内电极即为位于其内侧且紧邻的压电材料管的外电极。每个压电材料管的各内电极和各外电极均为一一对应的关系。

如图6所示，所述的片状堆叠压电材料致动器包括中部隔离片131，中部隔离片131的一侧依次堆叠有多个平行于中部隔离片131的第一压电材料片132，中部隔离片131的另一侧依次堆叠有多个平行于中部隔离片131的第二压电材料片133，每个第一压电材料片132和每个第二压电材料片133均具有两个平行于中部隔离片131的第一表面，每个第一压电材料片132和每个第二压电材料片133的第一表面均布设有一层电极134。

可选的，位于任意两个相邻第一压电材料片132之间或任意两个相邻第二压电材料片133之间的两层电极134之间设置有电隔离层。或可选的，如图7所示，任意两个相邻第一压电材料片132之间或任意两个相邻第二压电材料片133之间共用一层电极135。

优选的，各扫描致动器的各电极均连接有薄膜导电层，各薄膜导电层均绝缘贴覆于多级扫描致动器的表面并延伸至多级扫描致动器的固定端以通过导线连接外部器件，所述的绝缘贴覆是指各薄膜导电层贴覆于多级扫描致动器上，各薄膜导电层之间相互绝缘，且各薄膜导电层均与与其不相干的电极相互绝缘，与各薄膜导电层不相干的电极是指未与该薄膜导电层连接的电极。

相邻扫描致动器之间可以通过焊接、粘接剂粘接、卡扣连接、螺钉连接、一体成型等固定方式实现两个扫描致动器之间的固定连接。优选的，多级扫描致动器采用一体成型的方式制成，相邻扫描致动器之间通过一体成型工艺实现固定连接。

胶粘或卡扣的方式会由于长时间的高频振动导致连接松动，直接影响扫描器的振动性能，而螺钉的固定方式则体积稍大，结构稍显复杂，并且现有固定方式工艺难度大、制作耗时、重复性差、良品率低。采用一体成型可大大降低制作过程中的难度并且提升器件可靠性，同时可以防拆卸、防解体，增大整体可靠性和耐用性。

所述的一体成型指采用一体成型的工艺将包含所有扫描致动器的整体构件一体制造成型。例如，各扫描致动器均包括采用压电陶瓷粉末材料制备的主体，通过将压电陶瓷粉末装入模具压制成型后，通过烘烤即可得到一个包含所有扫描致动器的整体构件，然后根据需要将各扫描致动器进行极化，并在各扫描致动器增设驱动电极。对于包含双压电晶片致动器的扫描致动器，一体成型时是将隔离片和压电陶瓷粉末装入模具压制成型。对于包含压电材料管致动器、多层管嵌套压电材料致动器的扫描致动器，经模具压制成型后的半成品上具有用于填充电极的电极孔。对于多层管嵌套压电材料致动器的扫描致动器也可以经过多次模具压制制作所述多层管嵌套结构，从而依次在模具内制得各层压电材料管并在各最外层的压电材料管的外表面涂覆电极层后，再进行下一次压制。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

当以相同的频率同步激励各扫描致动器时，各扫描致动器均能获得大振幅且同步振动，通过逐级的放大，可以在不改变光纤悬臂的长度的前提下，使得光纤悬臂的末端获得大振幅，且振动频率仍为光纤悬臂的大振幅振动频率。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。