一种音圈电机及二维快速反射镜的制作方法

本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，具体涉及一种音圈电机及二维快速反射镜。

背景技术：

快速反射镜(fsm)是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的部件，通过采用音圈电机精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，用于实现反射镜的“偏转-倾斜”方位角度的快速调整，fsm已经成为在不同的应用中很关键的一部分，例如工业仪表，天文学，激光通信，成像系统，实验光具座条带以及独立的研究和开发关键部件的开发项目。音圈电机通常作为fsm的驱动电机。传统的音圈电机是由定子组件、转子组件等组成，通过力的作用使转子上的线圈受力驱动转子运动，并带动快速反射镜移动或转动。然而，这种驱动方式不仅会使线圈跟着移动致使发热，影响动态响应，还会使线缆拖拽，有线缆断掉的风险。

多年来，快速反射镜已经改善了光学领域的进步。然而，现有的fsm已达到快速阶跃响应的上限，而不会由于快速变化的磁通密度而产生大量过热。多余的热量需要额外的质量和体积来进行热管理，并且会使部件变形，从而降低快速反射镜的精度。另外，诸如步进或无刷伺服电动机等替代电机对于fsm的应用来说太大并且遭受上述相同的限制。

另外，大口径快速反射镜具有较大的转动惯量，要实现较高的工作带宽，要求驱动器具有较大的出力和出力效率。

技术实现要素：

(一)发明目的

为解决上述问题，本发明提供了一种音圈电机和二维快速反射镜，该音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；不会对反射镜进行加热，并且减小了快速反射镜的体积。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种音圈电机，包括线圈组件119和磁体组件118；

所述线圈组件119包括线圈组件底座116和固定连接于所述线圈组件底座116上的线圈插槽板111，至少一个线圈固定插接于所述线圈插槽板111上；

所述磁体组件118包括磁体组件基座102和固定连接于所述磁体组件基座102上的夹具，至少一个磁体安装在所述夹具上；

所述线圈组件119和所述磁体组件118相对设置，使得所述磁体和所述线圈间隔排列。

进一步的，所述线圈组件119包括两个所述线圈插槽板111，相对设置在所述线圈组件底座116的两端；所述线圈插槽板111上等间隔设置有至少一个第一插槽112，所述至少一个线圈插入两相对设置的线圈插槽板111的第一插槽112内。

进一步的，所述第一插槽112的一部分贯穿所述线圈插槽板111。

进一步的，所述第一插槽112之间具有第一间隔110，所述第一间隔110的中部具有第一间隙113，使得所述第一插槽112彼此连通。

进一步的，所述磁体组件基座102上等间隔设置有至少一个第二插槽125，所述夹具插入所述第二插槽125内。

进一步的，所述第二插槽125贯穿所述磁体组件基座102。

进一步的，所述第二插槽125之间具有第二间隔127，所述第二间隔127的中部具有第二间隙126，使得所述第二插槽125彼此连通。

进一步的，所述夹具包括位于两端的外部导磁单元夹具103a、103b和位于中间的中间磁体夹具115a、115b、115c、115d；每个所述外部导磁单元夹具内设置一个导磁单元，每个所述中间磁体夹具内设置多于一个的磁体。

本发明的第二方面提供了一种二维快速反射镜，包括如前技术方案任一项所述的音圈电机，包括反射镜和基座，所述反射镜通过支撑轴连接于所述基座，所述线圈组件119固定连接于所述反射镜上，所述磁体组件118固定连接于所述基座上，所述线圈与磁体的一部分间隔重叠设置。

本发明的第三方面提供了一种二维快速反射镜，包括如前技术方案任一项所述的音圈电机，包括反射镜和基座，所述反射镜通过支撑轴连接于所述基座，所述磁体组件118固定连接于所述反射镜上，所述线圈组件119固定连接于所述基座上，所述线圈与磁体的一部分间隔重叠设置。

综上所述，本发明提供了一种音圈电机及二维快速反射镜，所述音圈电机包括线圈组件和磁体组件；所述线圈组件包括线圈组件底座和固定连接于所述线圈组件底座上的线圈插槽板，至少一个线圈固定插接于所述线圈插槽板上；所述磁体组件包括磁体组件基座和固定连接于所述磁体组件基座上的夹具，至少一个磁体安装在所述夹具上；所述线圈组件和所述磁体组件相对设置，使得所述磁体和所述线圈间隔排列。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

1、本发明提供的音圈电机，具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；

2、该音圈电机的模块化设计实现了快速应用匹配，根据需要增加或减少线圈和/或磁体数量；

3、采用该圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。

附图说明

图1是本发明的具体实施例的线性音圈电机的结构图；

图2是图1所示的音圈电机沿着剖面线a-a剖切后的透视图；

图3是图1所示的音圈电机的线圈组件的透视图；

图4(a)、4(b)和4(c)分别是图3所示的线圈组件的前视图、侧视图和俯视图；

图5(a)、5(b)和5(c)分别是图3所示的线圈组件的线圈插槽板的结构图、主视图和后视图；

图6是图1所示的音圈电机的磁体组件的透视图；

图7(a)、7(b)和7(c)分别是图6所示的磁体组件的前视图、侧视图和俯视图；

图8是图6所示的磁体组件的外部导磁单元夹具的结构图；

图9是图6所示的磁体组件的中间磁体夹具的结构图。

附图标记：

100：音圈电机；102：磁体组件基座；103、103a、103b：外部导磁单元夹具；110：第一间隔；111：线圈插槽板；112：第一插槽；113：第一间隙；114、114a、114b、114c、114d、114e：线圈；115a、115b、115c、115d：中间磁体夹具；116：线圈组件底座；118：磁体组件；119：线圈组件；120a、121a、122a、123a：中间上部磁体；120b、121b、122b、123b：中间下部磁体；124a、124b：外部导磁单元；125：第二插槽；126：第二间隙；127：第二间隔；130、131：安装孔；135：紧固螺钉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的第一方面提供了一种音圈电机100，如图1所示，包括线圈组件119和磁体组件118；线圈组件119包括线圈组件底座116和固定连接于线圈组件底座116上的线圈插槽板111，至少一个线圈114固定插接于线圈插槽板111上；磁体组件118包括磁体组件基座102和固定连接于磁体组件基座102上的夹具，至少一个磁体安装在夹具上；线圈组件119和磁体组件118相对设置，使得磁体和线圈间隔排列。现有技术中采用pcb替代本发明的线圈，然而现有的pcb线圈虽然减少了线圈绕组，但是pcb线圈由塑料组成，散热性能较低，会导致反射镜组件的加热从而影响系统的精度，且出力不足，影响出力效率。本发明采用漆包线缠绕线圈，既有较大的出力和出力效率，而且散热性能好，不会导致对快反镜的过度加热。

具体的，参照图2和图3，线圈组件119包括在线圈组件底座116上成排布置的多个线圈114a、114b、114c、114d、114e，使得在相邻线圈114之间形成间隙。线圈组件底座116可以使用安装孔130安装到快速反射镜fsm装置的基座。线圈组件底座116上包括保持槽，用于保持线圈114的底端。图4(a)-4(c)是图3所示的线圈组件的线圈插槽板111的主视图、侧视图和俯视图。线圈组件119还包括线圈插槽板111(图3所示)，它们沿线圈组件底座116的相对侧布置成两排并连接到线圈组件底座116上。线圈组件底座116通过周围的四个紧固孔与线圈插槽板111相连并固定。未示出的螺钉用于将一对线圈插槽板111紧固到线圈组件底座116上。线圈插槽板111定位成将线圈114的顶部边缘固定在第一插槽112内。第一插槽112等间隔的设置在线圈插槽板111上，多个线圈114a、114b、114c、114d、114e插入两相对设置的线圈插槽板111的第一插槽112内。图3中示意性的示出线圈有5个，但是其数量并不限于此，可以根据具体磁力的大小设置线圈的个数。

如图3-4所示，每个线圈114以大致椭圆形形状缠绕，包括一个堆叠在另一个之上并且间隔相等的的多个线圈114a、114b、114c、114d、114e。线圈114a、114b、114c、114d、114e通过层压(未示出)彼此绝缘。在给出的示例中，每个线圈114包括5个线圈层，每个线圈层被配置为产生1个线圈。从顶层114a到第二中间层114b，第三中间层114c、第四中间层114d到底层114e等的互连具有穿过线圈插槽板111的插槽。配置的线圈可以具有大约4mm的厚度。尽管以上描述了线圈的一个特定实施例，但是应当理解的是，其他实施例也是可能的，其具有变化的层数和圈数，每一层也可以有不同的形状和大小。

如图5(a)-5(c)所示，为线圈组件的线圈插槽板的结构图、主视图和后视图，第一插槽112的一部分贯穿线圈插槽板111；第一插槽112之间具有第一间隔110，第一间隔110的中部具有第一间隙113，使得第一插槽112彼此连通。这样的结构有利于线圈散热，使线圈组件底座具有优异的导热性能。

进一步的，磁体组件基座102上等间隔设置有至少一个第二插槽125，夹具插入第二插槽125内，第二插槽125贯穿磁体组件基座102。第二插槽125之间具有第二间隔127，第二间隔127的中部具有第二间隙126，使得第二插槽125彼此连通，使得磁体之间具有良好的散热通道。

图6是图1所示的音圈电机100的磁体组件118的透视图。图7(a)-7(c)分别是图6所示的磁体组件118的前视图、侧视图和俯视图。磁体组件118包括位于磁体组件118的内部区域的中间磁体夹具115和位于磁体组件118两端部的外部导磁单元夹具103。中间和外部导磁单元夹具115,103布置成单排并且是固定到磁体组件基座102，使得相邻的夹具115,103被间隔127分开，用于容纳线圈114。磁体组件基座102可以通过定位孔130安装到fsm装置的反射镜上、将线圈组件119的底座116安装到fsm装置的基座上；或者在一些情况下也可以将线圈组件119的底座116安装到fsm的反射镜并将磁体组件的基座102安装到fsm基座上。

转到图2所示，磁体包括中间磁体和外部导磁单元。外部导磁单元124包括第一或下部导磁单元124b和第二或上部导磁单元124a。图8是图6所示的磁体组件的外部导磁单元夹具的结构图，图9是图6所示的磁体组件的中间磁体夹具的结构图。夹具包括外部下部导磁单元夹具103b，中间磁体夹具115a、115b、115c、115d和外部上部导磁单元夹具103a，外部下部导磁单元夹具103b和外部上部导磁单元夹具基本上是框型的，其内放置的磁体为方形的。中间磁体夹具115a、115b、115c、115d基本上为h形，其内放置上、下两个磁体，即中间上部磁体120a、121a、122a、123a和中间下部磁体120b、121b、122b、123b。外部下部导磁单元夹具103b和外部上部导磁单元夹具103a分别经由四个紧固孔135附接到磁体组件基座102的竖直部分的下端和上端。

可见，该音圈电机包括具有多个磁体单元的磁体组件，该多个磁体单元固定到磁体组件基座102并且与线圈对齐地定位，使得线圈和磁体沿着音圈电机的长度方向以交替方式布置。每个内部磁体包括具有相反极化的下部磁体和上部磁体120-123，其极化轴垂直于线圈构件的平面。

举例来说，中间上部磁体120a、121a、122a、123a和中间下部磁体120b、121b、122b、123b可以是35mgoe的钕铁硼(ndbfe)能量产物磁体；为了更高的性能，磁体也可以是50mgoendbfe永磁体；对于高温操作的情况下，磁体可以使用高能量产品钐钴磁铁，也可以使用其他类型的磁铁。外部导磁单元由软磁材料构成，可以是软铁、q235、硅钢片或本领域的任何材料。磁体组件的其他非磁性构件(即，磁体组件基座102，外部导磁单元夹具103和中间磁体夹具115，以及线圈组件底座116，线圈插槽板111等)可以采用torlon(聚酰亚胺-酰胺，pia)，其具有很高的耐高温性，并且具有非常接近c1008和钕磁铁的热膨胀系数，并且可以用铝或其他合适的材料制成。铝比torlon强，但是重两倍。这些和其他材料可以根据重量，结构刚度和成本等设计考虑使用。

考虑线圈组件119来设计磁体组件118。当音圈电机被组装时，线圈组件119和磁体组件118交接，使得线圈组件底座116和磁体组件基座102位于相对侧，线圈插入相邻的磁体之间的间隙，中间磁体被插入到相邻的线圈之间的间隙中，并且外部导磁单元被定位在外部线圈的外部。因此，线圈114和磁体沿音圈电机100的长度方向以交替方式布置。应当理解的是，音圈电机100可以具有各种数量的线圈和磁体的类似构造放大或缩小。在操作中，当电流施加到线圈114时，线圈114产生与由磁体产生的磁场相互作用的磁场，由此提供fsm的反射镜移动所施加的电流。

与已知的音圈电机相比，本发明的音圈电机提供了几个优点。这些优点包括：

1.高度可靠的制造，无需在定子铁心上缠绕线圈绕组；

2.模块化设计实现了快速应用匹配，并可根据需要设置线圈和磁体的数量；

3.装配简单、方便，并能缩短装配时间；

4.具有更简单的机电接口；

6.具有非常高的冲击和振动耐受性；

7.高刚性导致出色的高频性能。

本发明的第二方面提供了一种二维快速反射镜，包括如前技术方案任一项的音圈电机，包括反射镜和基座，反射镜通过支撑轴连接于基座，线圈组件119固定连接于反射镜上，磁体组件118固定连接于基座上，线圈与磁体的一部分间隔重叠设置。

本发明的第三方面提供了一种二维快速反射镜，包括如前技术方案任一项的音圈电机，包括反射镜和基座，反射镜通过支撑轴连接于基座，磁体组件118固定连接于反射镜上，线圈组件119固定连接于基座上，线圈与磁体的一部分间隔重叠设置。

综上所述，本发明提供了一种音圈电机及二维快速反射镜，所述音圈电机包括线圈组件和磁体组件；所述线圈组件包括线圈组件底座和固定连接于所述线圈组件底座上的线圈插槽板，至少一个线圈固定插接于所述线圈插槽板上；所述磁体组件包括磁体组件基座和固定连接于所述磁体组件基座上的夹具，至少一个磁体安装在所述夹具上；所述线圈组件和所述磁体组件相对设置，使得所述磁体和所述线圈间隔排列。该音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；该音圈电机的模块化设计实现了快速应用匹配，根据需要增加或减少线圈和/或磁体数量；采用该圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。