用于使受限旋转电机系统中的镜子平衡的系统和方法

摘要

本发明披露了一种使受限旋转电机系统中的镜子平衡的方法。该方法包括下述步骤：在受限旋转电机系统的转轴上提供镜子，从而镜子初始是不平衡的，镜子稍微更受力以向包含镜子的前反射面的镜子的前侧倾斜；以及调节镜子后侧上的至少一个有螺纹的配重螺钉，使其至少达到镜子在前、后侧之间变得平衡的位置。

说明书

优先权

本申请要求于2011年10月5日提交的、序列号为13／253，194的美国发明 专利申请和于20儿年7月29日提交的、序列号为61／513，248的美国临时专利 申请做为优先权，这些专利申请的全文以引用的方式合并于此。

背景技术

本发明一般地涉及扫描镜系统中的减振系统，特别地，涉及包括用于在限 制的角度范围上扫描激光束的受限旋转电机的扫描镜系统中的减小振动和失衡 的系统。

扫描镜系统包括连续旋转电机系统和受限旋转电机系统。连续旋转电机系 统例如可以包括连续旋转的旋转多边形镜，并且受限旋转电机系统在限制的旋 转角度范围上来往地旋转转子。

现有技术的扫描镜系统中的平衡系统部分地涉及校正由扫描系统自身的部 分造成的不可避免的失衡。例如，美国专利7，316，356披露了使用钨配重物用于 平衡镜子，其中披露的配重物用以解决通过使旋转器绕两个轴旋转而造成的进 动力矩所导致的失衡。配重物不可调。美国专利4，756，586披露了使用螺钉组以 调节多边形镜的旋转面使其垂直于驱动轴，且进一步披露了使用配重螺钉以校 正由螺钉组造成的失衡。但这两篇文献都未披露精确地平衡安装在轴上的镜子 以解决制造缺陷。

在典型的受限旋转扫描系统中，镜子安装至受限旋转电机(例如，电流计) 的输出轴上，且受限旋转电机由设法引起电机旋转的控制环控制，从而使得镜 子以任意高的保真度遵循位置和速度命令波形。然而，系统遵循命令的保真度 受到一定限制。

例如，系统中镜子的加速受到电机线圈中的电流上升速率的限制。位置精 确度受到反馈方法信噪比的限制。系统的带宽(其在可能的最短时间内以期望 的高速从位置A移动至位置B、且随后精确地定位在位置B上的能力)主要受 移动部件中的振动的限制。系统的带宽名义上为移动结构的第一扭转共振。因 此，镜子必须在电机轴上两个角度位置之间非常快速地前、后旋转，且保持较 高的硬度。这不仅要求镜子由硬材料制成，还要求其重量足够的低，以满足将 镜子从停止位置移动时的惯性不能太大的要求。

通常，使得移动部件尽可能的硬且较佳的平衡，并符合系统允许的惯性限 制。由于达到特定加速度所要求的电机扭矩与惯性直接成正比，且与电流(如 上所述其上升速率受限)成正比，通常，当系统参数为特定惯性而优化时，一 些器件，典型地镜子，即使由高硬度-惯性材料制成，其硬度和／或平衡也不满足 实现系统带宽的目的。

因此，这种用于受限旋转电机系统的镜子必须被平衡(前-后和侧-侧)，从 而移动时引入尽可能小的摇晃。在某些应用中，在镜子背面上增加额外的材料 以增大其硬度和／或平衡，但其代价就是额外的惯性，需要大型、昂贵的电机和 能够驱动附加惯性的控制环。在一些示范应用中，通过在镜子后侧上粘附少量 环氧树脂来影响这种平衡，以在工业上实现这种平衡。然而，这种工艺在诸如 大规模制造应用的所有引用中并不能令人充分地满意。

用于平衡镜子(侧-侧)的其它技术包括使用配平重量，形式为容纳在镜子 的相对孔中的相对的螺钉组，从而镜子在包括螺钉组中心的平面上的任何失衡 可通过调节一个或两个螺钉组来矫正，如美国专利6，972，885所述。所披露的螺 钉组容纳在镜子的外后侧和两个横侧中，但当镜子自身非常接近平衡时，难以 使用以达到完美平衡。此外，美国专利6，972，885中披露的螺钉组的使用难以实 现前-后平衡，且螺钉组增加了重量(增加了惯性)，且在镜子移动时会移动。

因而，需要一种受限旋转电机系统，无需大型、昂贵的电机和附属控制系 统即能提供改进的带宽，特别地，需要提供一种改进的镜子平衡，而不对镜子 的惯性产生不利影响。

发明内容

根据一实施例，本发明提供了一种使受限旋转电机系统中的镜子平衡的方 法。该方法包括下述步骤：在受限旋转电机系统的转轴上提供镜子，从而镜子 初始是不平衡的，镜子稍微更受力以向包含镜子前反射面的镜子前侧倾斜；以 及调节镜子后侧上的至少一个有螺纹的配重螺钉，使其至少达到镜子在前、后 侧之间变得平衡的位置上。

根据另一实施例，该方法包括下述步骤：在受限旋转电机系统的转轴上提 供镜子；以及调节互相相对的有螺纹的配重螺钉，该互相相对的有螺纹的配重 螺钉锁住(capture)在它们之间的高密度元件，从而使得高密度元件在大体与 镜子的前侧-后侧方向横切的方向上、朝着镜子的一侧远离镜子内的中心位置。

根据又一实施例，本发明提供了一种用在受限旋转电机系统中的镜子，其 中该镜子包括在镜子后侧上的至少一个有螺纹的配重螺钉，其可从由于稍微更 受力以向包含镜子的前反射面镜子前侧倾斜而镜子失衡的朝前位置调节到镜子 在前、后侧之间变得平衡的位置。

根据又一实施例，该镜子包括前反射侧、后侧、以及转轴，所述后侧包括 至少两个有螺纹的配重螺钉，其中每一个被朝向旋转轴定向。

根据又一一实施例，本发明的镜子包括互相相对的有螺纹的配重螺钉，该互 相相对的有螺纹的配重螺钉锁住在它们之间的高密度元件，其中所述相对的配 重螺钉可调节为使得高密度元件在大体与镜子的前侧-后侧方向横切的方向上、 朝着镜子的一侧远离镜子内的中心位置。

附图的简要说明

参考下述说明书附图，能够进一步地理解下述说明。

图1示出根据本发明实施例的镜子的图示性顶视图。

图2示出图1的镜子的图示性前视图。

图3示出图1的镜子的图示性后视图。

图4示出沿图3中的4_4线截取的图3的镜子的图示性侧截面视图。

图5示出图1的镜子的图示性侧视图。

图6示出沿图5中的6-6线截取的图5的镜子的图示性截面视图。

图7和8示出根据本发明的多个实施例使用的平衡判定系统的图示性视图。

图9示出根据本发明的另一实施例的镜子的图示性顶视图。

图10示出图9的镜子的图示性前视图。

图11示出图9的镜子的图示性后视图。

图12示出沿图11中的11-11线截取的图11的镜子的图示性侧截面视图。

图13示出图9的镜子的图示性侧视图。

图14示出沿图13中的14-14线截取的图14的镜子的图示性截面视图。

附图仅以示意的目的示出。

具体实施方式

根据实施例，本发明首先涉及一种用于受限旋转电机系统的镜子，其在镜 子的前表面的方向上稍微顷斜地偏置。为了前后平衡，在镜子的背面设置一个 或多个有螺纹的配重螺钉。当将配重螺钉一直旋拧入镜子里(朝着前表面)时， 镜子保持朝着前方的偏置，但将一个或多个配重螺钉旋转拧出镜子时，可获得 前后平衡点。

使用一对相对的、且其间锁住钨球的配重螺钉来实现侧-侧平衡。钨球初始 沿镜子旋转的中心线设置，以最小化增加的惯性。将配重螺钉调节至各自的平 衡点后，对每个螺钉都涂敷环氧树脂以将每个螺钉都固定在位置上，从而在镜 子用在受限旋转扫描系统期间，每个配重螺钉保持静止。

例如，图1-6示出了本发明的一个实施例，包括镜子10，其具有提供高反 射面的前侧12、后侧14、以及用于将镜子连接至受限旋转电机系统中的转轴(直 接连接或通过连接构件)的安装结构16。如图3和4所示，镜子的后侧14包括 一个或两个配重螺钉18，其容纳在镜子后侧的螺纹开口中。如图4所示，后侧 被成形，以移除材料(例如，提供如图示的蜂窝图案)从而在保持硬度的情况 下减少镜子的重量。

如图4的20所示，镜子被设计为相较于关于镜子转轴22的后侧质量M-， 关于镜子转轴22的前侧具有稍大一点的质量M+。因而，当镜子初始安装在转 轴上时，镜子是失衡的，会朝着镜子的前侧倾斜。配重螺钉18初始螺旋入其各 自的开口，从而定位在最靠近镜子的前侧。在前至后侧的平衡期间，配重螺钉 18被旋转(松开)以在远离镜子前侧的方向上移动。当使用两个这种配重螺钉 18时，一个可提供粗调(例如，远离安装结构16的那个)，另一个提供精调。 在进一一步的实施例中，一个配重螺钉可具有比另一个配重螺钉更精细的螺纹节 距。移动的范围被设计为在调节期间可达到前和后侧之间的平衡点。在某些可 选实施例中，可从最远的松开位置朝前调节螺钉直至达到平衡点。

镜子10还包括互相相对的配重螺钉24，该互相相对的配重螺钉24锁住在 它们之间的高密度元件26。高密度元件例如为由钨形成的球体。配重螺钉24

可被调节为使得高密度元件26在大体与镜子的前侧-后侧方向横切的方向上、朝 着镜子的一侧远离镜子内的中心位置(例如，沿着镜子转轴的中心处)。这种调 节提供了镜子的侧-侧(如图2所示的左-右)平衡。

基于上述配重螺钉的调节，可在每个配重螺钉暴露的部分上涂敷少量诸如 环氧树脂的粘合剂28，以在镜子用于受限旋转电机系统期间将它们固定在位置 上。优选地，环氧树脂产生的重量可以忽略。如果不能忽略，则在涂敷环氧树 脂之前，将各个配重螺钉向内微量地调节以调节环氧树脂的重量。

可采用多种方法来判定安装的镜子是否达到平衡。在具有低摩擦轴承的系 统中，可移除电机30的驱动线圈，转子可安装在电机轴承内。镜子10连接至 镜子安装单元16，而镜子安装单元16连接至电机30的转轴32。如34所示， 电机被设置为使得转轴32的转轴基本平行于平地，镜子较重的一一侧(前侧或后 侧)朝向下方。相似地，如果镜子的一个横侧的质量(M+)大于另一侧(M-)， 则质量更大的一侧朝向下方。如果两组配重螺钉皆需要调节，则镜子相对于平 地成一角度。可如上所述地调节配重螺钉，直至当镜子被允许在其上自由的旋 转(或停止)时、在转轴上不具有偏向性的旋转位置。

参考图8，也可使用包括安装在压力敏感V-模块上的轴承的电机40来判定 安装的镜子的平衡。例如，通过施加如46所示的驱动信号(或通过使用移除的 驱动线圈在转子的暴露部分上施加驱动带)来驱动电机。连接至电机内的V-模 块的传感器将输出信号50，其指示振动量，从而也指示了系统的失衡。可调节 并再次测试配重，直至信号50被最小化。在某些实施例中，处理器44可提供 关于哪些配重螺钉需被调节的信息。

如图9-14所示，根据本发明另一实施例的镜子60包括提供高反射面的前侧 62、后侧64、以及用于将镜子连接至受限旋转电机系统中的转轴的安装结构66。 如图9和10所示，镜子的后侧64包括两个配重螺钉68、69，其容纳在镜子后 侧的螺纹开口中。

如图10的70所示，镜子被设计为相较于关于镜子转轴72的后侧的质量 M-，关于镜子转轴72的前侧具有稍大一点的质量M+。因而，当镜子初始安装 在转轴上时，镜子是不平衡的，试图朝着镜子的前侧倾斜。配重螺钉68、69初 始螺旋入其各自的开口，从而设置为最靠近镜子的前侧。在前后侧的平衡中， 配重螺钉68、69被旋转(松开)以在远离镜子前侧的方向上移动。使用距安装 结构66更远的配重螺钉，配重螺钉68、69可提供粗调，而另一个提供精调。 进一步地，如图示，粗调配重螺钉68比精调配重螺钉69更大。同样，在进一 步的实施例中，一个配重螺钉可具有比另一个配重螺钉更精细的螺纹节距。移 动的范围被设计为在调节中可达到前后侧之间的平衡点。在某些可选实施例中， 可从最远的松开位置朝前调节螺钉直至达到平衡点。

镜子70还包括相对的配重螺钉74，该互相相对的配重螺钉锁住在它们之间 的高密度元件76。高密度元件例如为由钨形成的球体。配重螺钉74可被调节为 使得高密度元件76在大体与镜子的前侧-后侧方向横切的方向上、朝着镜子的一 侧远离镜子内的中心位置(例如，沿着镜子转轴的中心处)。这种调节提供了镜 子的侧-侧(左-右)平衡。

同样，基于上述配重螺钉的调节，可在每个配重螺钉暴露的部分上涂敷少 量诸如环氧树脂的粘合剂78，以在受限旋转电机系统中使用镜子时保持它们固 定在位置上。同样，环氧树脂产生的重量可以忽略。如果不能忽略，则在施加 环氧树脂之前，将各个配重螺钉向内微量地调节以调节环氧树脂的重量。

本领域技术人员可以理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可对上 述披露的实施例进行各种修改或变型。