一种电磁驱动振镜及其驱动磁路的制作方法

本发明属于微光机电领域，具体一种电磁驱动振镜及其驱动磁路。

背景技术：

mems振镜与传统光束偏转元件相比，具有微型化、能耗低、响应快、易集成、寿命长等优点，随着人工智能的发展和对装置高精度、小型化、低成本需求，mems振镜在三色激光投影、激光雷达、3d测量等领域大放异彩。其中电磁驱动具有线性响应、驱动力大、响应速度快、驱动电压低、对尺寸不敏感等优点，是微振镜最常用的驱动方式之一。电磁驱动扭转镜从磁力来源可分为，洛伦兹力驱动和电磁薄膜与交变磁场的相互作用驱动两类。前者在微扭转镜上制作线圈，线圈上通周期变化的电流，并将微扭转镜结构置于外加永恒磁场中，线圈就会产生周期变化的洛伦兹力，从而驱动微扭转镜扭转；后者通常在扫描微扭转镜结构上制作磁性材料薄膜，磁性材料薄膜在外部周期变化的电场产生的交变磁场作用下产生驱动力。

电磁驱动中漏磁通不可避免，若要振镜实现目标转角，且电磁振镜模块减小体积，且降低功耗，只能提高能量利用率。

技术实现要素：

为了提高电磁能量利用率，本发明提出一种针对电磁驱动振镜的蟹钳型电磁铁芯结构及该电磁驱动振镜，把电磁铁磁磁场最大化的集中到永磁铁处，驱动电磁振镜扭转。

本发明的技术解决方案是提高一种电磁驱动振镜的驱动磁路，其特殊之处在于：包括线圈和铁芯；

上述铁芯为蟹钳形，包括铁轭部分及心柱部分，上述线圈绕制在心柱部分上；

上述铁轭部分包括依次一体设置的第一铁轭部分、第二铁轭部分及开口端，上述第一铁轭部分与心柱部分一体设置，第一铁轭部分、第二铁轭部分及开口端的截面积从大到小变化。

进一步地，心柱部分可为简单条形，也可为弧形或其他线形，保证此部分长度，以防止线圈绕的厚度过大，以保证驱动线圈尽可能靠近铁芯，提高铁芯磁场强度；

进一步地，铁芯材料为高导磁率的纯铁、低碳刚、铁镍合金、硅铁合金或铁氧体等材料。

本发明还提供一种电磁驱动振镜，其特殊之处在于：包括电磁振镜芯片、结构体及上述驱动磁路；上述结构体用于固定电磁振镜芯片及驱动磁路；

电磁振镜芯片包括可动结构、扭转梁及固定框架，上述可动结构通过扭转梁固定在固定框架上；上述可动结构包括可动镜面及设置在可动镜面反面的磁性材料；

上述驱动磁路的铁芯开口端靠近磁性材料；

线圈产生的磁场主磁通沿铁轭传递到铁芯开口端，再出铁芯，作用于磁性材料上，驱动磁性材料带动电磁振镜芯片振动。

进一步地，为了防止镜面惯性形变，上述可动结构还包括设置在可动镜面反面的加强筋。

进一步地，驱动磁路的第一铁轭部分或第二铁轭部分上设有定位部件，通过定位部件将驱动磁路装配到结构体上。

进一步地，为了降低系统工作环境温度变化时振镜结构承受的应力，电磁振镜芯片和结构体之间设有应力缓冲结构；应力缓冲结构的材料和电磁振镜芯片热膨胀系数相同或相近；

进一步地，为了改善扭转梁的应力集中问题，上述扭转梁为关于振镜转轴对称的蛇形梁；

上述蛇形梁包括第一直线段、关于第一直线段对称的两个第二直线段及两个第三直线段；所述第一直线段的一端与加强筋或可动镜面固连，第一直线段的另一端通过u型或c型折弯段与第二直线段的一端连接，第二直线段的另一端通过u型或c型折弯段与第三直线段的一端连接，第三直线段的另一端固定在蛇形梁锚点上；两个蛇形梁锚点关于第一直线段对称分布。

本发明的有益效果是：

1、本发明将铁芯设计为蟹钳形铁芯，蟹钳形铁芯组成的电磁振镜驱动磁路驱动振镜扭转，把电磁铁磁场最大化的集中到永磁铁处，能量损失少，能量利用率高；

2、降低扭转梁所受最大应力是防止扭转梁断裂失效来提高振镜可靠性的必要手段，本发明将扭转梁设计为蛇形梁，并且将蛇形梁的折弯处设计为c或u型结构，降低应力集中，利于应力在蛇形扭转梁均布。

附图说明

图1为本发明实施例一电磁振镜驱动磁路示意图；

图2为本发明实施例二或实施例三电磁驱动振镜整体示意图；

图3为本发明实施例二电磁振镜驱动磁路与结构体安装示意图；

图4a为本发明实施例四中电磁振镜芯片正面示意图；

图4b为本发明实施例四中蛇形梁结构示意图。

图中附图标记为：11-可动镜面，12-扭转梁，121-第一直线段，122-第二直线段，123-第三直线段，124-蛇形梁锚点，125-u型或c型折弯段，13-固定框架，14-磁性材料，31-电磁振镜芯片，32-结构体，33-应力缓冲结构，34-驱动磁路，41-线圈，42-心柱部分，43-第一铁轭部分，44-第二铁轭部分，45-开口端。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例一

从图1可以看出，本实施例驱动磁路34包含蟹钳形铁芯，铁芯材料可以是高导磁率的纯铁、低碳刚、铁镍合金、硅铁合金、铁氧体等材料。

铁芯包括心柱部分42及铁轭部分，一定匝数的线圈41绕于心柱部分42，给线圈41通变化的电流，便产生变化的磁场，铁芯磁导率远高于空气，磁通便会在铁芯上集中，铁轭部分由第一铁轭部分43、第二铁轭部分44及开口端45组成，用来把磁路导引到作为振镜驱动的磁性材料附近。心柱部分42可为简单条形，也可为弧形或其他线形，保证此部分长度，以防止线圈41绕的厚度过大，以保证驱动线圈尽可能靠近铁芯，提高铁芯磁场强度；

铁芯材料不闭合，且开口端45在被驱动磁性材料附近，铁芯的部分磁场可与磁性材料的磁极组成闭合磁路，且铁芯中变化的磁场对磁性材料产生力的作用；开口端45应尽量靠近磁性材料，以减少磁通损失，但防止振镜振动时可动镜面或磁性材料碰到铁芯；

心柱部分42及第一铁轭部分43、第二铁轭部分44的磁通传输区域铁心截面积较开口端45大，以尽可能减小磁阻，开口端45截面适当减小，以能较近的接近镜面反面的磁性材料，在铁芯磁场没有饱和的情况下，适当减小铁芯截面积。

实施例二

从图2可以看出，本实施例电磁驱动振镜主要包括电磁振镜芯片31，结构体32和驱动磁路34。其中结构体32支撑并固定电磁振镜芯片31及驱动磁路32，把电磁振镜芯片31和驱动磁路32组合到一起，并保证二者的相对位置，同时提供电磁驱动振镜的对外接口(包括机械接口或固定电气元件或接口)。

本实施例电磁振镜芯片31包括可动镜面11、扭转梁12及固定框架13，可动镜面11通过扭转梁12固定在固定框架13上。可动镜面11的反面设有磁性材料14与加强筋，当可动镜面11的惯性形变较小时，可省去加强筋。该实施例中加强筋中心为环状，设置在可动镜面11反面，磁性材料14穿过加强筋的中心环粘贴在可动镜面11的反面，加强筋对磁性材料14进行限位。其他实施例中，加强筋可以为其他任意形状，磁性材料可粘贴在加强筋的表面。磁性材料14、加强筋与可动镜面11为一体形成电磁振镜芯片31的可动结构。

为了保证线圈对振镜的驱动力矩，并尽可能降低功耗，就要减小磁通损失，驱动磁路34为实施例一中的驱动磁路，铁芯材料不闭合，且开口端45在被驱动磁性材料附近，铁芯的部分磁场可与磁性材料的磁极组成闭合磁路，且铁芯中变化的磁场对磁性材料产生力的作用；开口端45应尽量靠近磁性材料，以减少磁通损失，但防止振镜振动时可动镜面或磁性材料碰到铁芯；给线圈施加变化的电流信号，线圈产生变化的磁场，通过铁芯把磁场主磁通集中到振镜反面固定的磁性材料附近，驱动磁性材料运动，从而带动可动镜面运动。第一铁轭部分43、第二铁轭部分44可提供铁芯固定区域，以可定位并装配到电磁振镜结构体32上，如图3。

实施例三

电磁振镜芯片31和结构体32之间，由于材料不同，热膨胀系数不同，系统工作环境温度变化时振镜结构会产生应力，导致振镜工作性能如谐振频率等的变化，从图2可以看出，本实施例在实施例二的基础上，在电磁振镜芯片31和结构体32之间设置应力缓冲结构33。应力缓冲结构33可定位并固定到结构体32上，同时电磁振镜芯片31可定位并固定到该应力缓冲结构33上；缓冲电磁振镜芯片31与结构体32之间由于材料不同而导致的热膨胀系数不同带来的热应力问题，应力缓冲结构33材料应该是和电磁振镜芯片31热膨胀系数接近的材料，如若电磁振镜芯片31的材料是硅基，应力缓冲结构33材料可以是硅或氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷等与硅热膨胀系数相同或接近的材质。

实施例四

为了提升振镜扭转模态频率的同时抑制其他模态，本实施例在上述任一实施例的基础上，提出一种具有低应力扭转梁的电磁驱动振镜。

从图4a可以看出，本实施例电磁驱动振镜的扭转梁为蛇形梁，蛇形梁的一端与可动镜面或加强筋固连，另一端与固定框架固连。

从图4b可以看出，蛇形梁包括第一直线段121、关于第一直线段121对称的两个第二直线段122及两个第三直线段123；第一直线段121的一端与可动镜面或加强筋固连，第一直线段121的另一端通过u型或c型折弯段125与第二直线段122的一端连接，第二直线段122的另一端通过u型或c型折弯段122与第三直线段123的一端连接，第三直线段123的另一端固定在蛇形梁锚点124上；两个蛇形梁锚点124关于第一直线段121对称分布。本实施例蛇形梁关于振镜转轴对称，扭转梁锚点对称分布在振镜转轴两侧；蛇形梁弯折处对称加垂直于转轴方向的c型或u型结构，改善蛇形梁弯折处应力集中。