本发明涉及一种振镜驱动装置，尤其是一种用于精确地将激光辐射定向到加工位置的激光应用中的振镜驱动装置。所使用的振镜通常具有在有限角度范围（小于±90°，通常小于±30°）内枢转的反射镜，以将激光辐射定向到加工位置。
背景技术：
1、图1展示了申请人已知的一种振镜驱动装置。包括永磁体的转子110被布置在包括线圈125的定子单元130内。转子由两个轴承140和150支撑，使得它能够相对于定子单元130绕旋转轴r进行旋转，旋转轴r在图1中水平延伸穿过转子的中心。在本技术中，旋转轴r的方向被称为轴向方向，与该轴垂直的方向被称为径向方向。
2、通过电气连接元件300供应的控制电流会导致定子单元130的线圈125中的磁场发生变化，由此包含磁体的转子110会相对于线圈125的磁通导体120或相对于定子单元130进行旋转移动。为防止由于热影响导致转子的纵向膨胀而产生可能导致损坏转子或轴承140和150或降低设备精度的机械应力，轴承150被形成为浮动轴承（与固定轴承140相反）。这种实现方式使得轴承150的外环150a不与定子单元刚性连接，而是与定子单元130中的轴承座一起形成间隙配合。波形弹簧200在预加载的作用下安装，以便在转子110的热移动（尺寸变化）发生的情况下，轴承150能够在一定程度上跟随热移动。波形弹簧200使轴承150的轴位置固定，因此只有在热引起移动时它才会改变这个轴位置。
3、使用浮动轴承150可以避免因热应力导致的转子和轴承的旋转移动受限或过载情况。特别是，轴承的内环150b与转子110紧密连接，而外环150a与定子单元130之间的间隙则允许外环150a与定子单元之间的轴向距离发生变化（即间隙配合）。波形弹簧200 在外环和内环之间产生预加载，使它们无法相对于彼此进行径向移动。由于轴承的预加载，整个轴承相对于定子的轴向位置可能发生变化。需要强调的是，相对于定子的位置变化并不一定意味着轴承的位置必须改变；相反，由于定子的位置的额外或单一的热变化，轴向距离也可能发生变化。
4、基于振镜的激光材料加工所能达到的精度需要对扫描镜的角度位置（尤其是与扫描方向垂直的角度）进行高度控制。因此，如果振镜扫描仪的轴在径向方向上的移动很小，这将非常有利。正如所提到的，可以通过使用径向刚性轴承来实现这点。这实现了对偏转激光束的精确导向，尤其是在缓慢或准静态操作中，因为带有反射镜的轴不会在与扫描方向垂直的方向上发生倾斜。
5、然而，在振镜扫描仪的动态运行过程中，旋转扫描镜或旋转反射镜本身存在的不平衡会导致由轴和扫描镜组成的单元发生弯曲振动。如果这种振动达到较大幅度，就会出现一些不良影响，从而导致偏转激光束的定位精度降低。首先，扫描镜相对于轴的周期性倾斜会使光束沿与扫描方向垂直的偏离方向反射。其次，系统中的振动还会对振镜轴的角度位置的位置测量产生影响，从而导致扫描角度的位置控制出现误差。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种振镜驱动装置及振镜扫描仪，使得即便在扫描镜出现不平衡的情况下，也能实现辐射到加工位置的高精度定向。
2、该目的是通过根据权利要求1所述的振镜驱动装置以及根据权利要求15所述的振镜扫描仪来实现的。本发明的进一步发展情况在从属权利要求中有所描述。特别是，根据下面描述的本发明实施例的装置还可以通过下面描述的另一实施例的特征进行进一步发展，即便这一点并未明确说明。
3、根据本发明的一种振镜驱动装置，包括：转子，能够围绕旋转轴旋转，该转子包含磁体；定子单元，围绕转子并包括线圈，其中，转子通过两个轴承安装，两个轴承中至少一个轴承是浮动轴承，使得它能够相对于定子单元绕旋转轴进行旋转移动；以及径向移动限制装置，适于限制浮动轴承相对于定子单元的径向移动，该装置包括阻尼装置，适于阻尼转子垂直于旋转轴（r）的振动。
4、在振镜驱动装置中，径向方向是指与旋转轴大致垂直（优选完全垂直）的方向。因此，旋转轴大致（优选完全）沿轴向延伸。
5、发明者们已经认识到，当对振镜驱动装置的精度有高要求时，必须阻碍转子的径向移动：在存在轴向预加载的浮动轴承的情况下，轴承本身不会出现破坏性的径向移动，但轴承的外环的直径必须略微小于标准尺寸，以便在轴承座中保留轴向可移动性。这意味着外环在轴承座中有径向游动空间，即相对于浮动轴承的外环所安装的元件而言。问题在于，尽管理论上可以通过确保浮动轴承与安装该浮动轴承的元件之间形成固定连接来消除径向移动，但这种固定连接会使浮动轴承变成具有已知缺点（例如，在热膨胀时会施加张力）的固定轴承。因此，根据本发明，振镜驱动装置配备了其自身的径向移动限制装置，其目的并非是消除浮动轴承本身的径向游动间隙，而是限制浮动轴承相对于安装浮动轴承的外环的元件的径向移动。在此情况下，限制径向移动意味着既要阻碍径向移动（即减少移动性），也要阻止径向移动。
6、采用根据本发明的振镜驱动装置，即便在动态运行过程中，由于扫描镜的不平衡所导致的精度下降也能被控制在最低限度，这是因为通过使用阻尼装置可以阻尼振镜轴的任何振动。这样，就可能确保振镜扫描仪在准静态和动态状态的精度。此外，阻尼装置不仅适于阻尼转子垂直于旋转轴（r）的振动，还适于阻尼轴向的振动。
7、轴承安装在转子与定子单元之间。在此情况下，与定子单元刚性连接的元件也被视为定子单元的组件。例如，与定子单元刚性连接的此类元件可以是磁通导管，它被理解为布置在线圈外部的组件，用于引导由线圈产生的磁场的磁通量，特别是以形成闭合的磁路。此外，定子单元的外壳也可以被视为与定子单元刚性连接的元件，即使它对线圈产生的磁通量几乎没有或只有轻微的影响。简而言之，在提到某个物体附接到定子单元上或相对于定子单元布置的情况下，这个物体尤其可以附接到与定子单元刚性连接的元件上，例如定子单元中的磁通导管或定子单元的外壳。
8、特别地，定子的形状可以是直圆柱体（特别是圆形圆柱体），或者是具有沿旋转轴方向延伸的对称轴的棱柱体。这里采用数学概念中的圆柱体概念作为基础。将理解的是，还包括圆柱体或棱柱体存在轻微锥度的情况。
9、在优选实施例中，阻尼装置包括一种材料，更优选地，阻尼装置由一种材料组成，该材料的弹性模量的值小于或等于 30 gpa，优选小于或等于10 gpa，更优选小于或等于5gpa。
10、径向移动限制装置所提供的轴向和径向的刚度，如果可能的话，不应受到阻尼装置的不利影响。即使阻尼装置的刚度会受到其几何形状的影响，但其几何形状仍受到限制，这些限制例如由浮动轴承上的安装位置规定。假设阻尼装置主要由一种材料（例如，橡胶状材料或（坚硬）聚合物）构成，那么限制该材料的弹性模量是有利的。在优选实施例中，弹性模量的值大于或等于0.001 gpa。
11、优选地，阻尼装置由损耗因子的值大于或等于0.001和/或小于或等于2的材料构成，损耗因子的值大于或等于0.001和/或小于或等于2，优选大于或等于0.01和/或小于或等于2。
12、阻尼装置应优选由能够将由轴和扫描镜组成的单元的弯曲振动的振动能量转化为热能（由于内部摩擦）的材料制成。这种材料特性尤其可以通过损耗因子（dissipationfactor）来描述，损耗因子是一种材料参数。后者被定义为材料的损耗模量（描述了通过内部摩擦转化为热能的能量比例）与材料的储能模量（描述了在材料中存储且在卸载后可以从材料中恢复的能量比例）之比。储能模量和损耗模量分别对应于材料的复剪切模量的实部和虚部。
13、从上述内容可以看出，损耗因子应尽可能取较大值以实现良好的阻尼效果。但该值也不应过高，以免对轴向刚度产生负面影响。
14、优选地，径向移动限制装置和阻尼装置串联布置在定子单元与浮动轴承之间。
15、在这种布置中，阻尼装置能够完全独立于径向移动限制装置来阻尼由轴和扫描镜组成的单元的弯曲振动。然而，在这种情况下，阻尼装置也会对径向刚度产生影响。通常来说，阻尼装置在径向上的尺寸越小（例如，一块或一层硬质聚合物），对径向刚度的影响就越小。
16、在这种串联布置中，要么阻尼装置，要么径向移动限制装置被布置在径向上更靠近浮动轴承的位置。
17、在另一优选实施例中，径向移动限制装置和阻尼装置平行于彼此地布置在定子单元与浮动轴承之间。
18、在这种布置中，径向移动限制装置所提供的径向刚度仅会受到阻尼装置的轻微影响。同时，阻尼装置的、与径向移动限制装置在轴向上最接近的区域的阻尼效果也较为轻微。一般来说，阻尼装置的尺寸越大（例如，一块或一层硬质聚合物），其在轴向上的阻尼效果就越好。
19、在更优选实施例中，阻尼装置包括第一阻尼部和第二阻尼部，其中，第一阻尼部与径向移动限制装置平行布置在定子单元与浮动轴承之间，并且第二阻尼部与径向移动限制装置串联布置在定子单元与浮动轴承之间。通过在定子单元与浮动轴承之间将径向移动限制装置和阻尼装置的平行布置与串联布置相结合，可以实现这两种布置方式各自的优势。
20、在另一优选实施例中，径向移动限制装置和阻尼装置通过径向移动限制阻尼装置来实现，该装置适于限制浮动轴承相对于定子单元的径向移动以及阻尼转子垂直于转子轴的振动。
21、在本实施例中，径向移动限制装置例如由一种材料形成，这种材料一方面能够在缓慢或准静态操作（在转子的低转速下）中提供足够高的径向刚度。另一方面，这种材料还能通过内部摩擦将由轴和扫描镜组成的单元的弯曲振动转化为热能，从而阻尼振动。能够实现这一功能的一种可能材料，例如是硬塑料（例如，环氧树脂、pmma或hdpe）。例如，构成径向移动限制装置的弹簧元件（例如，弹簧星或波形弹簧）可以由这种材料构成，从而它还能够起到阻尼装置的作用。
22、替代地，例如，也可以选择一种涂有阻尼材料的金属弹簧作为径向移动限制阻尼装置。例如，阻尼材料可以在浸泡缸中施加到金属弹簧。此外，还可以设想用纤维复合材料来形成径向移动限制阻尼装置。
23、优选地，浮动轴承包括外环、内环、以及位于内环和外环之间的多个滚动体，并且
24、内环刚性附接到转子上，浮动轴承能够相对于定子单元沿旋转轴的方向改变其位置，
25、其中，径向移动限制装置限制外环相对于定子单元的径向移动。
26、浮动轴承可以是滚动轴承，其内环附接到转子、外环附接到定子单元。现有技术中已知的所有设计对于滚动轴承而言都存在问题。在本技术中，刚性附接是指一种不允许任何移动自由度的固定连接。例如，外环与定子单元之间的间隙可以允许外环与定子单元之间在轴向上的距离发生变化（间隙配合）。由于外环和内环在轴向上优选地相互施加张力，它们通常不能相对于彼此进行径向移动。由于这种张力作用，相对于定子的热位移会导致整个轴承在轴向上的位置变化。需要强调的是，相对于定子的位置变化并不一定意味着轴承的位置必须改变；相反，轴向方向的距离也可能因定子位置的额外或单一热变化而发生变化。
27、更优选地，浮动轴承处的径向刚度与轴向刚度的比值大于 10，优选大于 50，更优选大于 100。
28、虽然优选的是径向移动限制装置完全阻止径向移动，但如之前所提到的，如果这样一来浮动轴承的轴向移动性也被过度限制，就会出现问题。然而，优选将径向移动限制装置的设计至少做到能够实现上述的径向刚度与轴向刚度的比值，即通过相对较小的力实现轴向上的一定可移动性，同时在径向上即使在较大力的作用下也能实现尽可能低的可移动性。这里的可能上限在1000范围内。例如，“刚度”一词可以指径向移动限制装置所提供的位移刚度或弹簧刚度。一般来说，径向或轴向（位移）刚度指的是在径向或轴向上抵抗位移或移动的阻力。
29、此外，更优选的是，径向移动限制装置是附接到浮动轴承的弹簧元件，该元件对浮动轴承施加轴向压力，其中该弹簧元件的一部分与浮动轴承刚性附接、另一部分与定子单元刚性附接。
30、优选地，弹簧元件沿径向延伸并是旋转对称的。由于弹簧元件会对浮动轴承施加轴向压力，因此它同时完成了两项任务：一方面，所施加的轴向压力仅在热移动的情况下会使浮动轴承沿轴向移动；另一方面，弹簧元件阻碍了浮动轴承相对于定子单元的径向移动比轴向移动更大，从而限制了径向移动性。
31、需要强调的是，在 n 个叶片弹簧元件的旋转对称布置中，叶片弹簧元件不一定必须垂直于浮动轴承向外延伸，而是至少可以部分地在与浮动轴承的圆周线形成角度（而非90°）的方向延伸。特别地，叶片弹簧元件也可以至少部分地沿着与浮动轴承的圆周线相切（或平行）的方向延伸。同样显而易见的是，叶片弹簧元件不必是直的，也可以是弯曲的。尽管有上述说明，但在优选实施例中，弹簧元件可以是径向对称的，特别是叶片弹簧元件相对于旋转轴向外笔直延伸。换句话说，叶片弹簧元件可以呈星形布置。
32、此外，更优选的是，弹簧元件具有旋转对称，优选星形布置的n个叶片弹簧元件，其中n是大于或等于3的自然数。
33、n的示例性值可以是n = 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、20、50或100。超过n = 100的值在实际中不太可能实现，因此n = 100可以被视为上限值。
34、此外，更优选的是，叶片弹簧元件的数量n小于或等于100，优选小于或等于20，更优选小于或等于8。
35、此外，更优选的是，弹簧元件被形成为盘形弹簧或膜片弹簧，盘形弹簧或膜片弹簧优选具有多个呈旋转对称方式布置的凹部。
36、盘形弹簧或膜片弹簧可以被视为一种具有旋转对称性、呈星形布置的叶片弹簧元件的特殊形式，即这些叶片弹簧元件相互融合在一起的一种形式。在此情况下，也可以设想出混合形式，即只有部分叶片弹簧元件相互融合，其中仍优选旋转对称配置。在一种特殊配置中，盘形弹簧或膜片弹簧带有凹部，这些凹部优选以旋转对称的方式布置。
37、此外，更优选的是，弹簧元件在径向上的位移刚度或弹簧刚度至少是轴向上的相应刚度的50倍，优选至少是100倍，更优选至少是300倍。
38、通过具有旋转对称性、星形布置的叶片弹簧元件，可以实现径向上的位移刚度或弹簧刚度与轴向上的位移刚度或弹簧刚度的较高比值。实际上，弹簧常数的比值上限可能约为1000。
39、此外，更优选的是，径向上的位移刚度或弹簧刚度的值大于 0.5 kn/mm，优选大于2 kn/mm且小于1000 kn/mm。
40、弹簧刚度可以通过多种方式进行调整，例如通过选择用于形成弹簧元件的材料厚度（板材厚度）、通过选择材料中的加强件的数量和位置、通过选择安装状态下的预加载，或者通过选择例如呈星形布置的叶片弹簧元件的形状和数量来进行调整。
41、根据本发明的振镜扫描仪包括根据本发明的振镜驱动装置以及旋转镜，该旋转镜连接到转子，使得旋转镜与转子能够一起围绕旋转轴（r）进行旋转移动。
42、利用这种振镜扫描仪，可以在准静态和动态操作中高精度地将辐射定向到加工位置。
43、优选地，振镜扫描仪被配置为能够对垂直于旋转轴（r）的振动进行阻尼，其阻尼比的值大于或等于0.002，优选大于或等于0.02和/或小于或等于1，优选小于或等于 0.2。
44、阻尼比（也称为lehr阻尼）是一个无量纲的数值，用于描述振镜扫描仪（即由振镜驱动装置和旋转镜组成的整个系统）的阻尼情况。假设为线性阻尼，即阻尼与振幅无关，那么阻尼比可以定义为系统的阻尼常数（对应于振动方程的线性项中的常数）与非周期极限情况下的阻尼常数之比，即不同于已经提及的损耗因子，它并非一种材料特性。
45、本发明的更多特点和经验可通过参考附图对实施例的描述变得显而易见。