一种扫描致动器及光纤扫描器的制作方法

1.本发明涉及光纤扫描显示器件技术领域，尤其涉及一种扫描致动器及光纤扫描器。


背景技术：

2.光纤扫描器是一种利用扫描致动器控制光纤摆动从而出射一幅图案的显示技术，该技术所照射的图案的色彩锐利饱和、对比度高、亮度高，且结构体积非常小，其主要用在光纤扫描显示(fsd)技术和光纤扫描内窥镜(fse)技术中。
3.格栅式光纤扫描器的致动器主要包括作为快轴的第二致动部和作为慢轴的第一致动部，第二致动部和第一致动部的两端均分别为固定端和自由端，第二致动部的固定端与第一致动部的自由端固定连接。要想获得稳定的扫描范围、并精确操控扫描轨迹，需要致动器的末端的扫描轨迹与第一致动部的扫描轨迹和第二致动部的扫描轨迹具有精确的一致性，任何致动部的加工误差都会使得致动器的振动变得不易控制或产生杂乱的振动分量。如何避免不受控或杂乱的振动分量是提高扫描质量的重要因素之一。
4.传统的扫描器致动器一般为管状或片状，为了使得慢轴方向的致动部满足慢轴扫描频率、快轴方向的致动部满足快轴的扫描频率，就要对致动器的形状、尺寸进行相应的设计，这就导致致动器成不规则的异形。
5.如中国专利cn111830702a公开的一种扫描致动器，其大体上是采用管状的压电致动器，但如上述因素制约，其设计成为异形结构，这对于致动器的批量生产是相当不利的，难以加工，且加工一致性无法得到保障。又如中国专利cn209784655u公开的一种扫描致动器，其大体上是采用片状的压电致动器，同样处于性能考虑，将致动器同样设置为异形结构，同样存在上述难以精确加工、加工一致性差的技术问题。
6.同时，现有扫描器还存在压电材料上电极区域划分复杂，电极涂布加工复杂的技术问题，同样增大了加工难度。
7.因而，如何在各致动部满足性能参数的前提下，使得致动器的易于加工，易于批量生产，批量生产一致性好，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明实施例提供一种扫描致动器及光纤扫描器，用以至少解决现有扫描致动器结构复杂，需要划分电极，不易批量生产、批量生产一致性差的技术问题。
9.为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种扫描致动器，包括沿自后向前的方向依次设置的快轴致动部和压电双晶片，快轴致动部包括左右对称设置的第一压电致动器和第二压电致动器，第一压电致动器和第二压电致动器的后端均与基座固定连接，第一压电致动器和第二压电致动器沿前后方向做同步反向伸缩；压电双晶片平行于水平面设置，且压电双晶片的长边沿前后方向延伸，压电双晶片的后端同时与第一压电致动器和第二压电致动器固定连接。
10.从而，由第一压电致动器和第二压电致动器的同步反向伸缩驱动压电双晶片沿水平方向振动，同时，压电双晶片在其驱动信号的驱动下，其自由端(前端)相对于其固定端(后端)沿垂直方向振动，这就使得压电双晶片的自由端相对于基座同时做沿水平方向的振动和沿垂直方向的振动，压电双晶片的自由端的运动轨迹为两个方向振动的叠加构成的轨迹。第一压电致动器和第二压电致动器的伸缩频率远大于压电双晶片在其驱动信号的驱动下沿垂直方向振动的频率，第一压电致动器和第二压电致动器的同步反向伸缩驱动压电双晶片沿水平方向振动用于实现栅格式扫描中的行扫描，即高频小振幅的x方向扫描。压电双晶片在其驱动信号的驱动下沿垂直方向振动用于实现栅格式扫描中的帧扫描，即低频大幅度的y方向扫描。
11.第一压电致动器和第二压电致动器构成的快轴致动器，不参与由压电双晶片构成的慢轴致动器的振动，从而大大降低扫描致动器的非线性。
12.慢轴悬臂梁采用的是完整双晶片，无单层压电片结构，大大增加扫描器抗震强度。
13.本发明的结构简单，第一压电致动器、第二压电致动器和压电双晶片均采用工业化成熟的标准器件，极大降低工艺难度，适合大批量生产。
14.所述的第一压电致动器和第二压电致动器均包括压电材料本体和在压电材料本体两个相对且相互平行的表面设置的表面电极，压电材料本体沿垂直于所述设置有表面电极的表面的方向极化。通过两个表面电极在压电材料本体上施加正向电压或反向电压，使得压电材料本体沿前后方向伸长或沿前后方向收缩。
15.优选的，为了降低第一压电致动器和第二压电致动器的驱动电压、降低功耗，在较低的驱动电压和驱动功耗下获得同样的伸缩量，所述的第一压电致动器和第二压电致动器采用如下结构：所述的第一压电致动器和第二压电致动器均由多个沿前后方向依次堆叠的压电驱动单元构成，每个压电驱动单元均包括片状压电材料本体，片状压电材料本体的前后端面分别设置有前表面电极和后表面电极，片状压电材料本体沿前后方向极化，多个压电驱动单元沿前后方向依次堆叠并固定连接。压电驱动单元堆叠构成的压电致动器的表面设置有第一电极导电件和第二电极导电件，每个压电驱动单元的前表面电极和后表面电极中的一个电极连接第一电极导电件、前表面电极和后表面电极中的另一个电极连接第二导电件。
16.可选的，压电双晶片的下表面同时与第一压电致动器的上表面和第二压电致动器的上表面固定连接；当然可以理解的，也可以是压电双晶片的上表面同时与第一压电致动器的下表面和第二压电致动器的下表面固定连接。
17.本实施例中的连接方式由于第一压电致动器和第二压电致动器的表面与压电双晶片固定连接，压电双晶片会对第一压电致动器和第二压电致动器该表面的伸缩造成影响，因而，使得第一压电致动器和第二压电致动器在伸缩的过程中会产生垂直方向的偏移。
18.故优选的，第一压电致动器和第二压电致动器的伸缩频率接近压电双晶片在水平方向的固有频率，通过压电双晶片在水平方向的共振放大压电双晶片在水平方向的摆幅，由压电双晶片本身的共振摆幅放大实现扫描致动器在水平方向的扫描振动。由于利用了压电双晶片在水平方向的共振摆幅放大来实现水平方向的扫描振动，第一压电致动器和第二压电致动器的伸缩量大幅减小，从而也就使得第一压电致动器和第二压电致动器在伸缩的过程中产生的垂直方向的偏移也极小，对压电双晶片自由端的振动轨迹的影响可以忽略。
19.此时，由于压电双晶片在垂直方向的固有频率远小于压电双晶片在水平方向的固有频率，故第一压电致动器和第二压电致动器在上述频率的伸缩的过程中会产生的垂直方向的振动偏移不会引起压电双晶片的共振放大，再加上如上所述的第一压电致动器和第二压电致动器的伸缩量大幅减小，使其对压电双晶片自由端的振动轨迹的影响可以忽略。
20.第一压电致动器和第二压电致动器构成慢轴悬臂梁的固定基础，同时作为高频振动的驱动源，从而节省快轴的长度，使得扫描器更短，实现更小尺寸的扫描致动器。
21.也可选的，第一压电致动器和第二压电致动器的前端均固定连接有一个连接件，压电双晶片同时与第一压电致动器的连接件和第二压电致动器的连接件固定连接。
22.也可选的，第一压电致动器和第二压电致动器的前端固定连接的为同一个连接件，即连接件同时连接第一压电致动器和第二压电致动器的前端，压电双晶片与连接件固定连接。
23.本实施例中，压电双晶片及连接件不会对第一压电致动器和第二压电致动器的伸缩形成干涉，故第一压电致动器和第二压电致动器的伸缩不会产生其他方向上的振动分量，保证了压电双晶片的自由端运动轨迹的精确性。
24.也可选的，第一压电致动器和第二压电致动器的前端靠近中部的位置处均设置有一个用于连接压电双晶片的凹槽，连接压电双晶片的后端同时对应固定设置于第一压电致动器和第二压电致动器的凹槽内，实现压电双晶片同时与第一压电致动器和第二压电致动器固定连接。
25.由于凹槽均位于第一压电致动器和第二压电致动器的前端靠近中部的位置处，其上下两侧的形变是对称的，从而能够最大限度避免由于压电双晶片的固定而使得第一压电致动器和第二压电致动器在伸缩过程中产生其他方向上的振动分量，同样保证了压电双晶片的自由端运动轨迹的精确性。
26.本发明实施例第二方面提供了一种光纤扫描器，其包括如上所述的扫描致动器和光纤，光纤以悬臂支撑的方式固定于压电双晶片的自由端(前端)。
27.具体的，光纤的出光端超出压电双晶片的自由端的部分构成光纤悬臂，光纤位于光纤悬臂后侧的部分与扫描致动器固定连接。
28.本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
29.本发明的第一压电致动器和第二压电致动器构成的快轴致动器，不参与由压电双晶片构成的慢轴致动器的振动，从而大大降低扫描致动器的非线性。
30.慢轴悬臂梁采用的是完整双晶片，无单层压电片结构，大大增加扫描器抗震强度。
31.本发明的结构简单，第一压电致动器、第二压电致动器和压电双晶片均采用工业化成熟的标准器件，极大降低工艺难度，适合大批量生产。
32.第一压电致动器和第二压电致动器构成慢轴悬臂梁的固定基础，同时作为高频振动的驱动源，从而节省快轴的长度，使得扫描器更短，实现更小尺寸的扫描致动器。
附图说明
33.图1为本发明的扫描致动器的结构示意图；
34.图2为本发明的压电双晶片的一种实施例的结构示意图；
35.图3为本发明的压电双晶片的另一种实施例的结构示意图；
36.图4为本发明的快轴致动部的一种实施例的结构示意图；
37.图5为本发明的快轴致动部的第二种实施例的结构示意图；
38.图6为本发明的快轴致动部的第三种实施例的结构示意图；
39.图7为本发明的压电驱动单元堆叠结构示意图；
40.图8为本发明的快轴致动部与压电双晶片另一种连接方式的结构示意图；
41.图9为本发明的连接件的另一种结构示意图；
42.图10为本发明的快轴致动部与压电双晶片第三种连接方式的结构示意图；
43.图11为本发明的快轴致动部的第四种实施例的结构示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例1：
46.如图1所示，本发明实施例第一方面提供了一种扫描致动器，包括沿自后向前的方向依次设置的快轴致动部100和压电双晶片200，快轴致动部100包括左右对称设置的第一压电致动器101和第二压电致动器102，第一压电致动器101和第二压电致动器102的后端均与基座300固定连接，第一压电致动器101和第二压电致动器102各自在驱动信号的驱动下沿前后方向做同步反向伸缩；压电双晶片200平行于水平面设置，且压电双晶片200的长边沿前后方向延伸，压电双晶片200的后端同时与第一压电致动器101和第二压电致动器102固定连接。
47.从而，由第一压电致动器101和第二压电致动器102的同步反向伸缩驱动压电双晶片200沿水平方向振动，同时，压电双晶片200在其驱动信号的驱动下，其自由端(前端)相对于其固定端(后端)沿垂直方向振动，这就使得压电双晶片200的自由端相对于基座300同时做沿水平方向的振动和沿垂直方向的振动，压电双晶片200的自由端的运动轨迹为两个方向振动的叠加构成的轨迹。第一压电致动器101和第二压电致动器102的伸缩频率远大于压电双晶片200在其驱动信号的驱动下沿垂直方向振动的频率，第一压电致动器101和第二压电致动器102的同步反向伸缩驱动压电双晶片200沿水平方向振动用于实现栅格式扫描中的行扫描，即高频小振幅的x方向扫描。压电双晶片200在其驱动信号的驱动下沿垂直方向振动用于实现栅格式扫描中的帧扫描，即低频大幅度的y方向扫描。
48.一般的，如图2所示，所述的压电双晶片200包括上下两片重叠贴合的压电陶瓷片201、202，每片压电陶瓷片的上下表面均镀有导电薄膜，分别形成上下两个表面电极2011、2012、2021、2022，两片压电陶瓷片201、202固定贴合为一体，两片压电陶瓷片201、202均沿厚度方向(即垂直方向)极化。也可选的，如图3所示，两片压电陶瓷片之间设置有介质层203。上述的设置介质层或不设置介质层的压电双晶片200均属于本领域常用的现有产品。两片压电陶瓷片201、202同步反向伸缩，实现压电双晶片200的自由端相对于其固定端沿y方向振动。
49.所述的第一压电致动器101和第二压电致动器102均包括压电材料本体和在压电
材料本体两个相对且相互平行的表面设置的表面电极，压电材料本体沿垂直于所述设置有表面电极的表面的方向极化。通过两个表面电极在压电材料本体上施加正向电压或反向电压，使得压电材料本体沿前后方向伸长或沿前后方向收缩。具体的，如图4所示，第一压电致动器101的压电材料本体1011的上下表面分别设置上表面电极1012和下表面电极1013，第一压电致动器101的压电材料本体1011沿垂直方向极化，也可如图5所示，第一压电致动器101的压电材料本体1011的左右表面分别设置左表面电极1014和右表面电极1015，第一压电致动器101的压电材料本体1011沿水平方向极化。同样的如图4所示，第二压电致动器102的压电材料本体1021的上下表面分别设置上表面电极1022和下表面电极1023，第二压电致动器102的压电材料本体1021沿垂直方向极化，也可如图5所示，第二压电致动器102的压电材料本体1021的左右表面分别设置左表面电极1024和右表面电极1025，第二压电致动器102的压电材料本体1021沿水平方向极化。需要说明的是，第一压电致动器101和第二压电致动器102的电极设置和极化方向设置是相互独立的，相互之间并无关联性，可以相同设置，也可以不相同设置。
50.优选的，为了降低第一压电致动器101和第二压电致动器102的驱动电压、降低功耗，在较低的驱动电压和驱动功耗下获得同样的伸缩量，所述的第一压电致动器101和第二压电致动器102采用如下结构：
51.如图6所示，所述的第一压电致动器101和第二压电致动器102均由多个沿前后方向依次堆叠的压电驱动单元500构成，结合图7所示，每个压电驱动单元50均包括片状压电材料本体501，片状压电材料本体501的前后端面分别设置有前表面电极502和后表面电极503，片状压电材料本体501沿前后方向极化，多个压电驱动单元沿前后方向依次堆叠并固定连接，压电驱动单元堆叠构成的压电致动器的表面设置有第一电极导电件510和第二电极导电件511，每个压电驱动单元的前表面电极和后表面电极中的一个电极连接第一电极导电件、前表面电极和后表面电极中的另一个电极连接第二导电件。具体哪个电极连接哪个电极导电件是根据压电驱动单元的极化方向来配合连接的，这对本领域技术人员而言是常识。
52.进一步优选的，任意两个相邻的压电驱动单元可以共用一个位于该两个压电驱动单元之间的表面电极，此时该两个压电驱动单元的片状压电材料本体的极化方向相反。如图7所示，两个相邻压电驱动单元的片状压电材料本体506和507的极化方向相反，该两个压电驱动单元共用表面电极504；同时，两个相邻压电驱动单元的片状压电材料本体508和507的极化方向相反，该两个压电驱动单元共用表面电极505。
53.在实际加工生产过程中，为了方便加工，第一压电致动器101和第二压电致动器102可以用模量较低的胶水粘接；也可以是采用一整块压电材料从中间切割出缝隙，从而将所述一整块压电材料分割成第二压电致动器102的压电材料本体和第二压电致动器102的压电材料本体。第一压电致动器101和第二压电致动器102的后端面与基座300固定，基座300可以是用于封装扫描致动器的外壳的一部分。
54.本发明使得第一压电致动器101和第二压电致动器102构成慢轴悬臂梁的固定基础，同时作为高频振动的驱动源，从而节省快轴的长度，使得扫描器更短，实现更小尺寸的扫描致动器。
55.第一压电致动器101和第二压电致动器102构成的快轴致动器，不参与由压电双晶
片200构成的慢轴致动器的振动，从而大大降低扫描致动器的非线性。
56.慢轴悬臂梁采用的是完整双晶片，无单层压电片结构，大大增加扫描器抗震强度。
57.本发明的结构简单，第一压电致动器101、第二压电致动器102和压电双晶片200均采用工业化成熟的标准器件，极大降低工艺难度，适合大批量生产。
58.实施例2：
59.在实施例1的基础上，实施例2给出了一种快轴致动部和压电双晶片200的连接方式。
60.本实施例中其他设置方式与实施例1均相同，在实施例1的基础上，本实施中，如图1所示，压电双晶片200的下表面同时与第一压电致动器101的上表面和第二压电致动器102的上表面固定连接；当然可以理解的，也可以是压电双晶片200的上表面同时与第一压电致动器101的下表面和第二压电致动器102的下表面固定连接。
61.本实施例中的连接方式由于第一压电致动器101和第二压电致动器102的表面与压电双晶片200固定连接，压电双晶片200会对第一压电致动器101和第二压电致动器102该表面的伸缩造成影响，因而，使得第一压电致动器101和第二压电致动器102在伸缩的过程中会产生垂直方向的偏移。
62.故优选的，第一压电致动器101和第二压电致动器102的伸缩频率接近压电双晶片200在水平方向的固有频率，通过压电双晶片200在水平方向的共振放大压电双晶片200在水平方向的摆幅，由压电双晶片200本身的共振摆幅放大实现扫描致动器在水平方向的扫描振动。由于利用了压电双晶片200在水平方向的共振摆幅放大来实现水平方向的扫描振动，第一压电致动器101和第二压电致动器102的伸缩量大幅减小，从而也就使得第一压电致动器101和第二压电致动器102在伸缩的过程中产生的垂直方向的偏移也极小，对压电双晶片200自由端的振动轨迹的影响可以忽略。
63.此时，由于压电双晶片200在垂直方向的固有频率远小于压电双晶片200在水平方向的固有频率，故第一压电致动器101和第二压电致动器102在上述频率的伸缩的过程中会产生的垂直方向的振动偏移不会引起压电双晶片200的共振放大，再加上如上所述的第一压电致动器101和第二压电致动器102的伸缩量大幅减小，使其对压电双晶片200自由端的振动轨迹的影响可以忽略。
64.实施例3：
65.在实施例1的基础上，实施例3给出了一种快轴致动部和压电双晶片200的连接方式。
66.本实施例中其他设置方式与实施例1均相同，在实施例1的基础上，本实施中，如图8所示，第一压电致动器101和第二压电致动器102的前端均固定连接有一个连接件103、104，压电双晶片200同时与第一压电致动器101的连接件103和第二压电致动器102的连接件104固定连接。
67.也可选的，如图9所示，第一压电致动器101和第二压电致动器102的前端固定连接的为同一个连接件105，即连接件105同时连接第一压电致动器101和第二压电致动器102的前端，压电双晶片200与连接件105固定连接。
68.本实施例中，压电双晶片200及连接件105不会对第一压电致动器101和第二压电致动器102的伸缩形成干涉，故第一压电致动器101和第二压电致动器102的伸缩不会产生
其他方向上的振动分量，保证了压电双晶片200的自由端运动轨迹的精确性。
69.实施例4：
70.在实施例1的基础上，实施例4给出了一种快轴致动部和压电双晶片200的连接方式。
71.本实施例中其他设置方式与实施例1均相同，在实施例1的基础上，本实施中，如图10、图11所示，第一压电致动器101和第二压电致动器102的前端靠近中部的位置处均设置有一个用于连接压电双晶片200的凹槽106、107，连接压电双晶片200的后端同时对应固定设置于第一压电致动器101和第二压电致动器102的凹槽106、107内，实现压电双晶片200同时与第一压电致动器101和第二压电致动器102固定连接。
72.由于凹槽106、107均位于第一压电致动器101和第二压电致动器102的前端靠近中部的位置处，其上下两侧的形变是对称的，从而能够最大限度避免由于压电双晶片200的固定而使得第一压电致动器101和第二压电致动器102在伸缩过程中产生其他方向上的振动分量，同样保证了压电双晶片200的自由端运动轨迹的精确性。
73.实施例5：
74.本实施例提供一种光纤扫描器，如图1、图8、图10所示，其包括如实施例1-5中任意一实施例所述的扫描致动器和光纤400，光纤400以悬臂支撑的方式固定于压电双晶片200的自由端(前端)。
75.具体的，光纤400的出光端超出压电双晶片200的自由端的部分构成光纤悬臂401，光纤位于光纤悬臂后侧的部分与扫描致动器固定连接。光纤400的另一端连接光源，光纤悬臂在扫描致动器的驱动下做二维扫描，光源根据光纤悬臂的扫描位置出射对应像素点的光，从而实现光纤二维扫描成像。
76.光纤可以设置于压电双晶片200的表面，如图10所示，也可以设置于压电双晶片200的内部，如图1、图8所示，对此不做限制。
77.应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
78.本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。
79.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
80.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。