採用受限轉動馬達的掃描儀的改進的鏡子安裝結構的製作方法

2023-10-07 16:46:34

專利名稱：採用受限轉動馬達的掃描儀的改進的鏡子安裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及受限轉動馬達例如檢流計，尤其涉及用於驅動光學元件(例如用來在掃描儀中對光束進行引導的鏡子)的受限轉動馬達。
受限轉動馬達通常包括步進馬達和恆速馬達。某些步進馬達適用於要求以大掃描角度高速和重載循環鋸齒掃描的應用場合。例如，在美國專利US6275319中公開了一種用於光柵掃描的光學掃描儀器。
然而，對於某些應用，受限轉動馬達要求馬達在兩個位置之間以精確恆定的速度移動，而不是以步進且確定的鋸齒方式來移動。這些應用要求到達恆定速度所需的時間儘可能短，並且要求所獲得的速度的誤差值儘可能小。恆速馬達通常提供較大的力矩常量，並且通常包括一轉子；驅動電路，用於使轉子繞著一中心軸轉動；以及一位置傳感器，例如，轉速計或位置傳感器；一反饋電路，與傳感器相連接，從而響應一輸入信號和一反饋信號，利用驅動電路驅動轉子。例如，在美國專利US5424632中公開了一種傳統的兩極受限轉動馬達。
對於某些應用，理想的受限轉動馬達的一個要求就是這樣一種系統，這種系統能改變載荷例如一鏡子的角向位置，從角A改變到角B，角A和角B都位於掃描儀的角向移動範圍內，並且兩者都能在任意短的時間內被任意地精確限定，同時把一期望的線性速度保持在任意小的誤差內。這種系統的最小反應時間和最小速度誤差由這種系統的有效帶寬決定。系統的帶寬是伺服放大器帶寬與掃描儀帶寬的串聯(concatenation)。
例如，這種受限轉動馬達可以被用於各種雷射掃描應用例如高速表面度量。其它的雷射處理應用包括在各種材料上進行雷射焊接(例如高速點焊)、表面處理、切割、鑽孔、標記、微調、雷射修補、快速成樣，形成微型結構，或形成密集成排的毫微形結構。
這種系統的處理速度通常受到鏡子速度、X-Y工作檯速度、材料相互作用、材料熱時間常數、待處理的目標材料和區域的布局、軟體性能中的一個或多個因素限制。通常，在這樣的應用中，其中，一個或多個鏡子速度、位置精確度、確定時間是一些限制性能的因素，掃描系統帶寬的任何顯著改進都可以使生產能力迅速得到改進。
因此，需要有一種改進的受限轉動馬達系統，更具體地說，需要一種用於受限轉動馬達的轉子，用於提供改進的帶寬。

發明內容
本發明提供一種用於受限轉動馬達系統中的鏡子安裝單元。這種鏡子安裝單元包括一鏡子；一錐形基底，用於把鏡子安裝單元連接至一受限轉動馬達的一輸出軸上。在各種實施例中，錐形基底可以是突起的，也可以是凹入的，鏡子可以與錐形基底整體形成，錐部可以是線性的也可以是非線性的。


參照附圖可以進一步理解下面的描述，其中圖1是根據本發明一實施例的用於一受限轉動馬達系統的一鏡子和轉子組件的示意圖；圖2是沿圖1中的線2-2的鏡子和轉子組件的側剖示意圖；圖3是圖2中的側剖示意圖中一部分的放大圖；圖4是根據本發明另一實施例用於一受限轉動馬達系統中的一鏡子和轉動組件的類似於圖3的側剖示意圖的一部分；圖5是根據本發明一實施例的用於一受限轉動馬達系統中的一鏡子安裝結構的立體示意圖；圖6是根據本發明另一實施例的用於一受限轉動馬達系統中的一個整體的安裝結構和鏡子的立體示意圖；圖7是根據本發明一實施例的一受限轉動馬達系統的立體示意圖；圖8和圖9是根據本發明另一實施例的另外一些受限轉動馬達系統的側剖示意圖。
這些附圖只是為了解釋目的而表示的。
具體實施例方式
光學掃描應用通常需要把一鏡子直接或間接地附連到一馬達的軸上。例如，已採用夾具類部件來支撐鏡子，並把鏡子附連到軸上。也已採用一些可分離的支座-夾具結構，這些結構被設置在鏡子內或鏡子上。有時，鏡子只被簡單地粘合在軸的一橫向槽內。
申請人發現，通過提供改進的鏡子安裝結構，就可以提供具有改進帶寬的受限轉動馬達系統。在通常情況中，希望以一種可以容易組裝和/或移除的方式來附連該鏡子。這對於使系統容易組裝和對準以及允許把鏡子更換成具有不同尺寸大小或反射率範圍的鏡子，或允許在現場對損壞的鏡子進行更換而言是非常必要的。當然，這也是安裝裝置的功能，以便在把鏡子安裝到軸上時能確保鏡子至少在垂直於鏡子表面的方向上幾何對準。最後，重要的結果就是，安裝座本身的慣性不會損害動態應用中的系統性能，並且相對於靜態系統的振動環境和衝擊而言是牢固的。
如圖1和圖2所示，根據本發明一實施例的一鏡子安裝結構10包括一橫向槽，在該橫向槽內可粘合、焊接或以其它固定方式連接一鏡子；一錐形基底18，該錐形基底18可以被接納在一轉子輸出軸14中的一錐形開口16內。如圖2所示，橫向槽由槽元件20和22形成。鏡子安裝結構10保持著在軸中具有一橫向槽這樣的簡單性，但是它是可更換的，並且可以被牢固地連接，並且使系統增加很少或不增加慣性，鏡子安裝結構10還根據鏡子的尺寸大小支撐鏡子，並且在鏡子幾何對準方面具有高精度。圖5中以放大的比例表示出了這種鏡子安裝結構10。如圖5所示，基底18包括一錐角，該錐角由附圖標記19表示。在某些實施例中，這種結構10還可以在一側或兩側包括一小孔24，通過該小孔可放置一個或兩個轉動阻擋件25a，25b。這些轉動阻擋件25a和25b可以由穿過該結構10的一單一銷的兩端形成，或者可以形成為兩個單獨的阻擋件。錐部可以是如圖5所示的線性的，在其它實施例中，錐部或者可以是非線性的。利用錐形鏡子安裝座可以使效率提高大約25％至35％。
如圖4所示，根據本發明的另一實施例，一鏡子安裝結構30可在其基底38中包括一錐形開口，用於接納一轉子輸出軸34的一錐形端36。這種結構30還包括一橫向槽，在該橫向槽中可粘合、焊接、或以其它固定方式連接一鏡子32。在每個實施例中，連接單元的鏡子端具有一直徑，因此，支撐著鏡子的槽的側面長度是這樣一個長度，該長度與具體的鏡子尺寸和結構所需的支撐強度成比例。根據需要，連接單元的鏡子端可以從一圓柱形改變成一橢圓形或其它形狀，以便為鏡子提供理想的支撐長度。槽的深度也可以根據需要被調節。在最常用的實施例中，這種單元的外部以一角度呈錐形，並且具有這樣一個長度，即，能克服馬達的最大力矩自鎖定。
不同的應用需要不同的鎖定度。例如，理想的是，在鏡子表面作為其一部分的光學系統的組裝和對準期間，垂直於鏡子表面的方向相對於軸的角向位置而言是可重新手調節的。這種應用會導致相當大的錐角。另一方面，也可能是鏡子表面作為其一部分的光學系統必須承受大的加速度，例如，在太空交通工具發射期間所產生的加速度。這種應用會需要相當小的錐角。
在需要時，在對自鎖定配合的需要和對容易釋放的需求之間作一個折衷，在一個角度和長度範圍內選擇接合的錐角和長度。用於鎖定的有用角度的通常範圍是在0.03和0.07英寸每英寸之間。在該範圍的較小錐形端的錐部易於非常緊地夾緊，並且在上端的錐部容易釋放。屬於本發明範圍內的還有把錐角和接合長度設計成使錐部鎖定如此緊，以致於基本上是永久地固定，以及，相反地能容易地釋放，以致於它們能被結合在一起來傳遞有效力矩。
為了增大剛度和減小這種組件的慣性，優選地，插銷和凹窩佔據用於支撐輸出的軸承內部的容積。然而，在本發明的範圍內，這種單元及其配合軸部分可以被設置在沿著軸軸線的任何地方。
在圖3所示實施例中，軸或杆的端部配備有一呈配合錐部形式的一同心的中空凹窩，從而當呈突起插銷形式的基底18被插入凹窩內並被迫使一起入位時，這些錐部就鎖定。這種連接在同心性、缺少傾斜、力矩傳遞以及在使用中釋放趨勢的自由度方面具有良好的性能。在一馬達或檢流計，或在一安裝杆(圖中未示)的一適當凸緣情況中，當希望把安裝座除去時，一鉗子類的工具可以被夾緊到插銷的平部上，並根據安裝座的尺寸大小和錐部的結構，具有若干磅的軸向張力被施加在鉗子和前部軸承的內環之間，從而把錐部釋放，且不會造成損害。
如圖6所示，根據本發明的另一個實施例的一系統，可包括一整體的鏡子和安裝單元26，它具有一拋光表面27(用於提供一鏡子)和一基底28，該基底28具有一錐角，如圖中附圖標記29所示。
如圖7所示，根據本發明一實施例，一掃描組件包括一轉子軸和鏡子安裝結構，該掃描組件可包括一掃描馬達40，該掃描馬達具有如上所述帶有一外軸48的可轉動轉子，具有一傳感器42，用於監測附連在轉子一端的軸的位置，以及一掃描元件44，該掃描元件可包括一鏡子，其在位於與位置傳感器相反的一端被附連至掃描馬達40的輸出軸。當然，掃描元件44和位置傳感器42每個都可以在轉子的相同端被連接至轉子上。如圖所示，這種系統還包括與傳感器42和馬達40相連的一反饋控制系統46，以便控制馬達的速度和/或位置。
如圖8所示，根據本發明的一實施例，一鏡子安裝結構可以被用於一系統50中，該系統50包括一後鐵(backiron)52、定子線圈54和一磁鐵56，該磁鐵56被固定到一軸58上。軸58通過軸承64被可轉動地安裝到一外殼結構(圖中未示)。一掃描元件例如一鏡子60被安裝到軸58的一端，而一位置傳感器62被安裝至軸58的另一端。
如圖9所示，根據本發明的另外一實施例的一種受限轉動力矩馬達組件70，該組件70可包括一後鐵72、定子線圈74和一磁鐵76，如上所述，所述磁鐵76被固定至一軸78。一鏡子80通過本發明的一鏡子安裝結構被附連到軸，軸通過軸承84被可轉動地固定到一外殼結構(圖中未示)。如上所述，組件70還可包括一位置傳感器。
例如，這種受限轉動馬達可以被用於雷射鑽孔系統中，用於在印刷電路板(PCBs)中製造通路(或孔)。這種系統可包括一對基於檢流計的X-Y掃描儀以及一個X-Y工作檯，用於傳送印刷電路板；以及一掃描透鏡，用於在由掃描儀和透鏡所覆蓋的範圍內的電路板區域提供平行加工。X-Y工作檯沿著整個覆蓋範圍所需的行和列輸送電路板。電路板通常基本上大於掃描範圍。
根據本發明另一實施例，這種受限轉動馬達還可以被用於多層鑽孔系統。操作過程可包括衝孔(或衝擊鑽孔)，其中，一個或多個雷射脈衝在一有效的斑直徑內形成一單一孔，而且相對於目標不會產生光束的相對移動，或者可包括打孔(這種打孔在鑽進操作期間在光束和目標之間會有相對移動)。在打孔期間，形成一個孔，該孔的直徑基本上大於一斑直徑。利用許多雷射脈衝，從一基板的頂表面向該基板的暴露的底表面對基板進行雷射鑽孔，優選地是被打孔成一圓形，但是，也可以採用其它的打孔模式例如橢圓形和方形。例如，雷射焦點的移動打孔模式是這樣一種模式，其中，光束斑在所需的通路的中心開始，並且逐漸地向外朝該通路的一外徑盤旋。在這個點，使光束繞著通路中心盤旋許多圈，盤旋的圈數根據具體通路的需要來確定。一旦完成，焦點就盤旋迴中心，然後等待下一個命令。例如，打孔速度是3毫米/秒。在這種鑽孔應用中，有時，無論點之間的軌跡如何，利用快速的確定時間，提供快速的點來指出光束的位置是有利的。
總體的鑽孔系統的生產能力受許多因素的影響，例如，在一範圍內所需孔的數目，孔的尺寸大小，工作檯速度等。在基板鑽孔系統中，改進系統帶寬通常是有用的，這種改進在利用打孔操作或類似動作來形成孔的基板鑽孔系統中尤其有利。上述的受限轉動馬達還可以被用於對其它基板例如電子儀器、半導體基板和類似工件進行鑽孔。
這種受限轉動馬達還可以被用於在基板的前側或後側上利用例如半導體、晶片和類似物的雷射或雷射標記進行基板標記。由雷射(例如二極體泵送固態雷射)所產生的標記，無論是在前側還是在後側，都可以形成1D或2D矩陣，並且符合各種工業標準。這種系統的性能至少部分依賴於標記速度、密度、質量，通過受限轉動馬達性能的改進就可以改進標記速度、密度和質量。在一範圍上的標記速度例如以毫米/秒來測量，它是雷射重複速率、斑點尺寸大小和用於系統中的一個或多個馬達(例如低的和快的掃描方向馬達)的速度的一個函數。
根據另外一些實施例，本發明的系統可以被用於電子工業中的其它高速標記應用，例如託盤中的儀器或設備或其它類似工件的標記。
根據本發明的另外一些實施例，上面所描述的受限轉動馬達還可被應用於雷射微調系統中。在一雷射微調系統中或在一基板顯微機械加工系統中可以採用本發明的一個或多個實施方式。例如，這種系統可提供一種對一批儀器(例如電阻器)進行高速精確微機械加工的方法，每個儀器具有至少一個可度量特性(例如電阻)。這種方法包括以下步驟a)對成批中的一個儀器進行選擇性地微機械加工，以便改變可度量特性的值；b)暫停選擇性微機械加工步驟；c)當選擇性微機械加工的步驟被暫停時，對這批儀器中的至少一個另外儀器進行選擇性微機械加工，以便改變一可度量特性的值；和d)恢復選擇性微機械加工的被暫停的步驟以便改變該儀器的一可度量特性，直到它的值位於一期望範圍內。選擇性微機械加工的至少一個步驟可包括以下步驟產生並相對地定位一雷射束，使該雷射束以一第一掃描模式移動經過這些儀器，把一第二掃描模式與第一掃描模式疊加，以及利用至少一個雷射脈衝來照射至少一個儀器。
根據本發明的另一實施例的一微機械加工系統，它可提供一種快速掃描模式，這種快速掃描模式是利用一聲光偏導器(deflector)來執行，並且被疊加在一第二低速掃描模式上，該第二低速掃描模式是利用上面所描述的一受限轉動馬達來執行的。通常，聲光偏導器的進入和折回時間在幾十微秒數量級。在某些實施例中，通過改進馬達速度會直接導致微調速度的提高。
本領域技術人員會知道，對上面所公開的實施例可以進行變型和改變，這均未脫離本發明的構思和範圍。
權利要求
1.一種用於一受限轉動馬達系統中的鏡子安裝單元，所述鏡子安裝單元包括一鏡子，一錐形基底，所述錐形基底用於把所述鏡子安裝單元連接到一受限轉動馬達的一輸出軸。
2.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底是一錐形的突起插銷，用於與所述輸出軸的一凹入端接合。
3.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底是錐形凹入端，用於與輸出軸的一突起端接合。
4.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底包括一錐角，該錐角約在0.03英寸每英寸和約0.07英寸每英寸之間。
5.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底由這樣一種材料製成的，這種材料不同於輸出軸的材料。
6.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子被粘接至所述鏡子安裝單元中的一槽形開口內。
7.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底上的錐角和接合長度被選擇成使得所述基底和所述輸出軸之間的接觸面形成一永久鎖定。
8.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底上的錐角和接合長度被選擇成使得基底和輸出軸之間的接觸面形成所述插銷和所述輸出軸的一非永久接合。
9.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底被結合到所述輸出軸。
10.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子安裝單元由碳化矽、鈦和鈹中的任何材料製成。
11.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子通過一接納裝置被連接至所述鏡子安裝單元上，所述接納裝置用於在所述安裝單元上接納所述鏡子。
12.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子與所述鏡子安裝單元作為一整體結構整體形成。
13.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底包括一線性的錐部。
14.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述輸出軸與一受限轉動馬達相連接。
15.根據權利要求14所述鏡子安裝單元，其中，所述受限轉動馬達被連接至一掃描系統。
16.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子安裝單元設置有一雷射鑽孔系統。
17.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子安裝單元設置有一雷射標記系統。
18.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子安裝單元設置有一基底機加工系統。
19.根據權利要求1所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子安裝單元設置有一雷射微調系統。
20.一種用於受限轉動馬達系統中的鏡子安裝單元，所述鏡子安裝單元包括接納裝置，用於接納一鏡子；一錐形基底，用於把所述鏡子安裝單元連接到一受限轉動馬達的一輸出軸上，所述錐形基底在一錐部長度上與所述受限轉動馬達的所述輸出軸的錐形端配合。
21.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底是一錐形的突起插銷，用於與輸出軸的一凹入端接合。
22.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底是一錐形的凹入端，用於與所述輸出軸的一突起端接合。
23.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底包括一錐角，該錐角在約0.03英寸每英寸和約0.07英寸每英寸之間。
24.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底由這樣一種材料製造，這種材料不同於所述輸出軸的材料。
25.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，接納裝置包括一槽形開口，所述鏡子被粘接在所述槽形開口內。
26.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底上的錐角和接合長度被選擇成使得所述基底和所述輸出軸之間的接觸面形成一永久鎖定。
27.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底的錐角和接合長度被選擇成使得所述基底和所述輸出軸之間的接觸面形成所述插銷和所述輸出軸的一非永久接合。
28.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底被結合到所述輸出軸。
29.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述鏡子安裝單元由碳化矽、鈦和鈹中的任何材料製成。
30.根據權利要求20所述鏡子安裝單元，其中，所述錐形基底包括一線性的錐部。
31.一種用於受限轉動馬達系統中的鏡子安裝單元，所述鏡子安裝單元包括一鏡子；一錐形基底，所述錐形基底用於把所述鏡子安裝單元連接到一受限轉動馬達的一輸出軸，所述錐形基底包括一線性的錐部，所述鏡子與所述錐形基底整體形成。
全文摘要
一種用於受限轉動馬達系統中的鏡子安裝單元，該鏡子安裝單元(10)包括一鏡子(12)和一錐形基底(18)，以便把鏡子安裝單元連接至一受限轉動馬達的一輸出軸上。在各種實施例中，錐形基底可以是突起形的，也可以是凹入形的，鏡子可以與錐形基底整體形成，錐部可以是線性的，也可以是是非線性的。
文檔編號H01S3/123GK1902521SQ200480039280
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月23日 優先權日2003年11月24日
發明者K·普魯因 申請人:傑斯集團公司