CN100465687C - 采用受限转动马达的扫描仪的改进的镜子安装结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于受限转动马达系统中的镜子安装单元，该镜子安装单元(10)包括一镜子(12)和一锥形基底(18)，以便把镜子安装单元连接至一受限转动马达的一输出轴上。在各种实施例中，锥形基底可以是突起形的，也可以是凹入形的，镜子可以与锥形基底整体形成，锥部可以是线性的，也可以是是非线性的。
Description
优先权
本申请要求享有于2003年11月24日提出的系列号为No.60/524683的美国临时专利申请优先权。
背景技术
本发明涉及受限转动马达例如检流计，尤其涉及用于驱动光学元件(例如用来在扫描仪中对光束进行引导的镜子)的受限转动马达。
受限转动马达通常包括步进马达和恒速马达。某些步进马达适用于要求以大扫描角度高速和重载循环锯齿扫描的应用场合。例如，在美国专利US6275319中公开了一种用于光栅扫描的光学扫描仪器。
然而，对于某些应用，受限转动马达要求马达在两个位置之间以精确恒定的速度移动，而不是以步进且确定的锯齿方式来移动。这些应用要求到达恒定速度所需的时间尽可能短，并且要求所获得的速度的误差值尽可能小。恒速马达通常提供较大的力矩常量，并且通常包括:一转子；驱动电路，用于使转子绕着一中心轴转动；以及一位置传感器，例如，转速计或位置传感器；一反馈电路，与传感器相连接，从而响应一输入信号和一反馈信号，利用驱动电路驱动转子。例如，在美国专利US5424632中公开了一种传统的两极受限转动马达。
对于某些应用，理想的受限转动马达的一个要求就是这样一种系统，这种系统能改变载荷例如一镜子的角向位置，从角A改变到角B，角A和角B都位于扫描仪的角向移动范围内，并且两者都能在任意短的时间内被任意地精确限定，同时把一期望的线性速度保持在任意小的误差内。这种系统的最小反应时间和最小速度误差由这种系统的有效带宽决定。系统的带宽是伺服放大器带宽与扫描仪带宽的串联(concatenation)。
例如，这种受限转动马达可以被用于各种激光扫描应用例如高速表面度量。其它的激光处理应用包括在各种材料上进行激光焊接(例如高速点焊)、表面处理、切割、钻孔、标记、微调、激光修补、快速成样，形成微型结构，或形成密集成排的毫微形结构。
这种系统的处理速度通常受到镜子速度、X-Y工作台速度、材料相互作用、材料热时间常数、待处理的目标材料和区域的布局、软件性能中的一个或多个因素限制。通常，在这样的应用中，其中，一个或多个镜子速度、位置精确度、确定时间是一些限制性能的因素，扫描系统带宽的任何显著改进都可以使生产能力迅速得到改进。
因此，需要有一种改进的受限转动马达系统，更具体地说，需要一种用于受限转动马达的转子，用于提供改进的带宽。
发明内容
本发明提供一种用于受限转动马达系统中的镜子安装单元。这种镜子安装单元包括:一镜子；一锥形基底，用于把镜子安装单元连接至一受限转动马达的一输出轴上。在各种实施例中，锥形基底可以是突起的，也可以是凹入的，镜子可以与锥形基底整体形成，锥部可以是线性的也可以是非线性的。
所述锥形基底由这样一种材料制成的，这种材料不同于输出轴的材料。所述镜子安装单元由碳化硅、钛和铍中的任何材料制成。
附图说明
参照附图可以进一步理解下面的描述，其中:
图1是根据本发明一实施例的用于一受限转动马达系统的一镜子和转子组件的示意图；
图2是沿图1中的线2-2的镜子和转子组件的侧剖示意图；
图3是图2中的侧剖示意图中一部分的放大图；
图4是根据本发明另一实施例用于一受限转动马达系统中的一镜子和转动组件的类似于图3的侧剖示意图的一部分；
图5是根据本发明一实施例的用于一受限转动马达系统中的一镜子安装结构的立体示意图；
图6是根据本发明另一实施例的用于一受限转动马达系统中的一个整体的安装结构和镜子的立体示意图；
图7是根据本发明一实施例的一受限转动马达系统的立体示意图；
图8和图9是根据本发明另一实施例的另外一些受限转动马达系统的侧剖示意图。
这些附图只是为了解释目的而表示的。
具体实施方式
光学扫描应用通常需要把一镜子直接或间接地附连到一马达的轴上。例如，已采用夹具类部件来支撑镜子，并把镜子附连到轴上。也已采用一些可分离的支座-夹具结构，这些结构被设置在镜子内或镜子上。有时，镜子只被简单地粘合在轴的一横向槽内。
申请人发现，通过提供改进的镜子安装结构，就可以提供具有改进带宽的受限转动马达系统。在通常情况中，希望以一种可以容易组装和/或移除的方式来附连该镜子。这对于使系统容易组装和对准以及允许把镜子更换成具有不同尺寸大小或反射率范围的镜子，或允许在现场对损坏的镜子进行更换而言是非常必要的。当然，这也是安装装置的功能，以便在把镜子安装到轴上时能确保镜子至少在垂直于镜子表面的方向上几何对准。最后，重要的结果就是，安装座本身的惯性不会损害动态应用中的系统性能，并且相对于静态系统的振动环境和冲击而言是牢固的。
如图1和图2所示，根据本发明一实施例的一镜子安装结构10包括:一横向槽，在该横向槽内可粘合、焊接或以其它固定方式连接一镜子；一锥形基底18，该锥形基底18可以被接纳在一转子输出轴14中的一锥形开口16内。如图2所示，横向槽由槽元件20和22形成。镜子安装结构10保持着在轴中具有一横向槽这样的简单性，但是它是可更换的，并且可以被牢固地连接，并且使系统增加很少或不增加惯性，镜子安装结构10还根据镜子的尺寸大小支撑镜子，并且在镜子几何对准方面具有高精度。图5中以放大的比例表示出了这种镜子安装结构10。如图5所示，基底18包括一锥角，该锥角由附图标记19表示。在某些实施例中，这种结构10还可以在一侧或两侧包括一小孔24，通过该小孔可放置一个或两个转动阻挡件25a，25b。这些转动阻挡件25a和25b可以由穿过该结构10的一单一销的两端形成，或者可以形成为两个单独的阻挡件。锥部可以是如图5所示的线性的，在其它实施例中，锥部或者可以是非线性的。利用锥形镜子安装座可以使效率提高大约25％至35％。
如图4所示，根据本发明的另一实施例，一镜子安装结构30可在其基底38中包括一锥形开口，用于接纳一转子输出轴34的一锥形端36。这种结构30还包括一横向槽，在该横向槽中可粘合、焊接、或以其它固定方式连接一镜子32。在每个实施例中，连接单元的镜子端具有一直径，因此，支撑着镜子的槽的侧面长度是这样一个长度，该长度与具体的镜子尺寸和结构所需的支撑强度成比例。根据需要，连接单元的镜子端可以从一圆柱形改变成一椭圆形或其它形状，以便为镜子提供理想的支撑长度。槽的深度也可以根据需要被调节。在最常用的实施例中，这种单元的外部以一角度呈锥形，并且具有这样一个长度，即，能克服马达的最大力矩自锁定。
不同的应用需要不同的锁定度。例如，理想的是，在镜子表面作为其一部分的光学系统的组装和对准期间，垂直于镜子表面的方向相对于轴的角向位置而言是可重新手调节的。这种应用会导致相当大的锥角。另一方面，也可能是镜子表面作为其一部分的光学系统必须承受大的加速度，例如，在太空交通工具发射期间所产生的加速度。这种应用会需要相当小的锥角。
在需要时，在对自锁定配合的需要和对容易释放的需求之间作一个折衷，在一个角度和长度范围内选择接合的锥角和长度。用于锁定的有用角度的通常范围是在0.03和0.07英寸每英寸之间。在该范围的较小锥形端的锥部易于非常紧地夹紧，并且在上端的锥部容易释放。属于本发明范围内的还有:把锥角和接合长度设计成使锥部锁定如此紧，以致于基本上是永久地固定，以及，相反地能容易地释放，以致于它们能被结合在一起来传递有效力矩。
为了增大刚度和减小这种组件的惯性，优选地，插销和凹窝占据用于支撑输出的轴承内部的容积。然而，在本发明的范围内，这种单元及其配合轴部分可以被设置在沿着轴轴线的任何地方。
在图3所示实施例中，轴或杆的端部配备有一呈配合锥部形式的一同心的中空凹窝，从而当呈突起插销形式的基底18被插入凹窝内并被迫使一起入位时，这些锥部就锁定。这种连接在同心性、缺少倾斜、力矩传递以及在使用中释放趋势的自由度方面具有良好的性能。在一马达或检流计，或在一安装杆(图中未示)的一适当凸缘情况中，当希望把安装座除去时，一钳子类的工具可以被夹紧到插销的平部上，并根据安装座的尺寸大小和锥部的结构，具有若干磅的轴向张力被施加在钳子和前部轴承的内环之间，从而把锥部释放，且不会造成损害。
如图6所示，根据本发明的另一个实施例的一系统，可包括一整体的镜子和安装单元26，它具有一抛光表面27(用于提供一镜子)和一基底28，该基底28具有一锥角，如图中附图标记29所示。
如图7所示，根据本发明一实施例，一扫描组件包括一转子轴和镜子安装结构，该扫描组件可包括:一扫描马达40，该扫描马达具有如上所述带有一外轴48的可转动转子，具有一传感器42，用于监测附连在转子一端的轴的位置，以及一扫描元件44，该扫描元件可包括一镜子，其在位于与位置传感器相反的一端被附连至扫描马达40的输出轴。当然，扫描元件44和位置传感器42每个都可以在转子的相同端被连接至转子上。如图所示，这种系统还包括与传感器42和马达40相连的一反馈控制系统46，以便控制马达的速度和/或位置。
如图8所示，根据本发明的一实施例，一镜子安装结构可以被用于一系统50中，该系统50包括一后铁(backiron)52、定子线圈54和一磁铁56，该磁铁56被固定到一轴58上。轴58通过轴承64被可转动地安装到一外壳结构(图中未示)。一扫描元件例如一镜子60被安装到轴58的一端，而一位置传感器62被安装至轴58的另一端。
如图9所示，根据本发明的另外一实施例的一种受限转动力矩马达组件70，该组件70可包括一后铁72、定子线圈74和一磁铁76，如上所述，所述磁铁76被固定至一轴78。一镜子80通过本发明的一镜子安装结构被附连到轴，轴通过轴承84被可转动地固定到一外壳结构(图中未示)。如上所述，组件70还可包括一位置传感器。
例如，这种受限转动马达可以被用于激光钻孔系统中，用于在印刷电路板(PCBs)中制造通路(或孔)。这种系统可包括:一对基于检流计的X-Y扫描仪以及一个X-Y工作台，用于传送印刷电路板；以及一扫描透镜，用于在由扫描仪和透镜所覆盖的范围内的电路板区域提供平行加工。X-Y工作台沿着整个覆盖范围所需的行和列输送电路板。电路板通常基本上大于扫描范围。
根据本发明另一实施例，这种受限转动马达还可以被用于多层钻孔系统。操作过程可包括冲孔(或冲击钻孔)，其中，一个或多个激光脉冲在一有效的斑直径内形成一单一孔，而且相对于目标不会产生光束的相对移动，或者可包括打孔(这种打孔在钻进操作期间在光束和目标之间会有相对移动)。在打孔期间，形成一个孔，该孔的直径基本上大于一斑直径。利用许多激光脉冲，从一基板的顶表面向该基板的暴露的底表面对基板进行激光钻孔，优选地是被打孔成一圆形，但是，也可以采用其它的打孔模式例如椭圆形和方形。例如，激光焦点的移动打孔模式是这样一种模式，其中，光束斑在所需的通路的中心开始，并且逐渐地向外朝该通路的一外径盘旋。在这个点，使光束绕着通路中心盘旋许多圈，盘旋的圈数根据具体通路的需要来确定。一旦完成，焦点就盘旋回中心，然后等待下一个命令。例如，打孔速度是3毫米/秒。在这种钻孔应用中，有时，无论点之间的轨迹如何，利用快速的确定时间，提供快速的点来指出光束的位置是有利的。
总体的钻孔系统的生产能力受许多因素的影响，例如，在一范围内所需孔的数目，孔的尺寸大小，工作台速度等。在基板钻孔系统中，改进系统带宽通常是有用的，这种改进在利用打孔操作或类似动作来形成孔的基板钻孔系统中尤其有利。上述的受限转动马达还可以被用于对其它基板例如电子仪器、半导体基板和类似工件进行钻孔。
这种受限转动马达还可以被用于在基板的前侧或后侧上利用例如半导体、晶片和类似物的激光或激光标记进行基板标记。由激光(例如二极管泵送固态激光)所产生的标记，无论是在前侧还是在后侧，都可以形成1D或2D矩阵，并且符合各种工业标准。这种系统的性能至少部分依赖于标记速度、密度、质量，通过受限转动马达性能的改进就可以改进标记速度、密度和质量。在一范围上的标记速度例如以毫米/秒来测量，它是激光重复速率、斑点尺寸大小和用于系统中的一个或多个马达(例如低的和快的扫描方向马达)的速度的一个函数。
根据另外一些实施例，本发明的系统可以被用于电子工业中的其它高速标记应用，例如托盘中的仪器或设备或其它类似工件的标记。
根据本发明的另外一些实施例，上面所描述的受限转动马达还可被应用于激光微调系统中。在一激光微调系统中或在一基板显微机械加工系统中可以采用本发明的一个或多个实施方式。例如，这种系统可提供一种对一批仪器(例如电阻器)进行高速精确微机械加工的方法，每个仪器具有至少一个可度量特性(例如电阻)。这种方法包括以下步骤:a)对成批中的一个仪器进行选择性地微机械加工，以便改变可度量特性的值；b)暂停选择性微机械加工步骤；c)当选择性微机械加工的步骤被暂停时，对这批仪器中的至少一个另外仪器进行选择性微机械加工，以便改变一可度量特性的值；和d)恢复选择性微机械加工的被暂停的步骤以便改变该仪器的一可度量特性，直到它的值位于一期望范围内。选择性微机械加工的至少一个步骤可包括以下步骤:产生并相对地定位一激光束，使该激光束以一第一扫描模式移动经过这些仪器，把一第二扫描模式与第一扫描模式叠加，以及利用至少一个激光脉冲来照射至少一个仪器。
根据本发明的另一实施例的一微机械加工系统，它可提供一种快速扫描模式，这种快速扫描模式是利用一声光偏导器(deflector)来执行，并且被叠加在一第二低速扫描模式上，该第二低速扫描模式是利用上面所描述的一受限转动马达来执行的。通常，声光偏导器的进入和折回时间在几十微秒数量级。在某些实施例中，通过改进马达速度会直接导致微调速度的提高。
本领域技术人员会知道，对上面所公开的实施例可以进行变型和改变，这均未脱离本发明的构思和范围。
Claims (33)
1.一种用于一受限转动马达系统中的镜子安装单元，所述镜子安装单元包括：一镜子，一锥形基底，所述锥形基底用于把所述镜子安装单元连接到一受限转动马达的一输出轴，所述锥形基底和所述输出轴中之一包括锥形的突起插销，该突起插销具有沿着所述锥形基底和所述输出轴的连接方向减小的内径，以将所述锥形基底接合到所述输出轴，所述锥形基底与所述输出轴的旋转轴成最大角度为4度的锥角。
2.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底是一锥形的突起插销，用于与所述输出轴的一凹入端接合。
3.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底是锥形凹入端，用于与输出轴的一突起端接合。
4.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底包括一锥角，该锥角在0.03英寸每英寸和0.07英寸每英寸之间。
5.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底由这样一种材料制成的，这种材料不同于输出轴的材料。
6.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子被粘接至所述镜子安装单元中的一槽形开口内。
7.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底上的锥角和接合长度被选择成使得所述基底和所述输出轴之间的接触面形成一永久锁定。
8.根据权利要求2所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底上的锥角和接合长度被选择成使得基底和输出轴之间的接触面形成所述插销和所述输出轴的一非永久接合。
9.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底被结合到所述输出轴。
10.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子安装单元由碳化硅、钛和铍中的任何材料制成。
11.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子通过一接纳装置被连接至所述镜子安装单元上，所述接纳装置用于在所述安装单元上接纳所述镜子。
12.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子与所述镜子安装单元作为一整体结构整体形成。
13.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底包括一线性的锥部。
14.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述输出轴与一受限转动马达相连接。
15.根据权利要求14所述镜子安装单元，其中，所述受限转动马达被连接至一扫描系统。
16.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子安装单元设置有一激光钻孔系统。
17.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子安装单元设置有一激光标记系统。
18.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子安装单元设置有一基底机加工系统。
19.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，所述镜子安装单元设置有一激光微调系统。
20.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，与所述输出轴的旋转轴的所述锥角为1.7度，以使锥形基底和轴锁定到一起以至于被永久地固定。
21.根据权利要求1所述镜子安装单元，其中，与所述输出轴的旋转轴的所述锥角为4度，以使锥形基底和轴形成易于彼此释放的锁定。
22.一种用于受限转动马达系统中的镜子安装单元，所述镜子安装单元包括：接纳装置，用于接纳一镜子；一锥形基底，用于把所述镜子安装单元连接到一受限转动马达的一输出轴上，所述锥形基底在一锥部长度上与所述受限转动马达的所述输出轴的锥形端配合，所述锥形基底和所述输出轴中之一包括锥形的突起插销，该突起插销具有沿着所述锥形基底和所述输出轴的连接方向减小的内径，以将所述锥形基底接合到所述输出轴，使得所述锥形基底和所述输出轴的连接是自锁定的，以在所述受限转动马达系统的操作期间保持所述锥形基底和所述输出轴之间的接触。
23.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底是一锥形的突起插销，用于与输出轴的一凹入端接合。
24.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底是一锥形的凹入端，用于与所述输出轴的一突起端接合。
25.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底包括一锥角，该锥角在0.03英寸每英寸和0.07英寸每英寸之间。
26.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底由这样一种材料制造，这种材料不同于所述输出轴的材料。
27.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，接纳装置包括一槽形开口，所述镜子被粘接在所述槽形开口内。
28.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底上的锥角和接合长度被选择成使得所述基底和所述输出轴之间的接触面形成一永久锁定。
29.根据权利要求23所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底的锥角和接合长度被选择成使得所述基底和所述输出轴之间的接触面形成所述插销和所述输出轴的一非永久接合。
30.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底被结合到所述输出轴。
31.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述镜子安装单元由碳化硅、钛和铍中的任何材料制成。
32.根据权利要求22所述镜子安装单元，其中，所述锥形基底包括一线性的锥部。
33.一种用于受限转动马达系统中的镜子安装单元，所述镜子安装单元包括：接纳装置，用于接纳一镜子；一锥形基底，用于把所述镜子安装单元连接到一受限转动马达的一输出轴上，所述锥形基底在一锥部长度上与所述受限转动马达的所述输出轴的锥形端配合，所述锥形基底和所述输出轴中之一包括锥形的突起插销，该突起插销具有沿着所述锥形基底和所述输出轴的连接方向减小的内径，以将所述锥形基底接合到所述输出轴，使得所述锥形基底和所述输出轴的连接是自锁定的，以在组装期间保持所述锥形基底和所述输出轴之间的接触，而且还允许在镜子安装单元的组装和对准期间重新调整轴的角向位置。
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