ЗЕРКАЛО С РЕГУЛИРУЕМЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК G02B5/10 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных резонаторных устройствах для концентрации электромагнитного излучения.

Известны зеркала с изменяемой кривизной принцип действия которых основан на механической деформации с помощью сил магнитного поля [1] или микрометрического винта [2].

Недостатком аналогов является низкое быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является зеркало с регулируемым фокусным расстоянием [3].

Зеркало состоит из пластины с отражающим передним слоем, установленной в корпусе, с тыльной стороны контактирующей с кольцами полукруглого сечения, размещенными в радиальных пазах кольцевых упоров. Донной частью упоры установлены между пьезоэлементами, опирающимися одним концом в корпус, другим через упорный элемент - в пластину. При подаче питающего напряжения на пьезоэлементы происходит их сжатие (растяжение) и тем самым прогиб пластины в центральной ее части, равный суммарному перемещению пьезоэлемента, и пропорционально меньший, соответствующий промежуточной высоте отражающей поверхности прогиб по окружностям контакта радиуса колец, так как длина пьезоэлементов между упорами подобрана соответствующим образом.

Недостатком прототипа являются низкое быстродействие и большие габариты.

Цель изобретения - повышение быстродействия и уменьшение его габаритов.

Предлагается зеркало с регулируемым фокусным расстоянием, содержащее корпус с отражающей пластиной, блок создания деформаций, кольцеобразные упоры, вершины которых через кольца полукруглого сечения контактируют с отражающей пластиной.

В отличие от прототипа блок создания деформирующих усилий выполнен в виде установленных между отражающей пластиной и корпусом на одном стержне с диэлектрическими прокладками дисковых биморфных пьезоэлементов, выполненных с центральными отверстиями. Упоры имеют концентрически сопряженные цилиндрические поверхности для обеспечения направленного их перемещения. Основания кольцевых упоров соединены с краями соответствующих дисковых биморфных пьезоэлементов, размеры которых выбираются в соответствии с соотношениями:
R_i = R₁ (1 - X_i²); h_i = h₁ (1 - X_i²), (1) где h_i, R_i - толщина и радиус i-го пьезоэлемента;
x_i= - нормированная координата длины отражающей пластины в полярных координатах;
R₁ - радиус первого биморфного пьезоэлемента;
r_max - радиус отражающей пластины;
r_i - координата длины в полярной системе координат.

Электрически пьезоэлементы соединены между собой параллельно. Такое выполнение устройства позволяет добиться решения поставленной задачи за счет значительного уменьшения габаритных размеров пьезопривода, уменьшения массы всех движущихся элементов конструкции и устранения механических связей между ними через столбик пьезоэлементов.

На чертеже представлено устройство, общий вид.

Устройство содержит корпус 1, отражающую пластину 2, кольцевые упоры 3, биморфные пьезоэлементы 4, стержень 5, диэлектрические прокладки 6, кольца 7, штуцер 8.

Корпус 1 механически соединен с отражающей пластиной 2. Кольцевые упоры 3 имеют концентрически сопряженные цилиндрические поверхности и соединены с биморфными пьезоэлементами 4. Биморфные пьезоэлементы 4 посредством стержня 5 через диэлектрические прокладки 6 механически соединены с корпусом 1. Отражающая пластина 2 контактирует с упорами 3 посредством колец 7. В корпусе 1 закреплен штуцер 8.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения на пьезоэлементы 4 происходит их деформация (прогиб) в ту или иную сторону в зависимости от полярности приложенного напряжения. Тем самым обеспечивается прогиб отражающей пластины 2, пропорциональный прогибам каждого биморфного пьезоэлемента 4. Постоянный контакт отражающей пластины 2 с кольцами 7 полукруглого сечения обеспечивается силами разности давления окружающей среды и герметичного пространства между корпусом 1 и пластиной 2. Контакта пластины с кольцами можно добиться и другими известными способами, например силами магнитного притяжения. Для этого отражающая пластина 2 изготавливается из ферромагнитного материала, а кольца в упорах заменяются магнитными сегментами. Таким образом, выполнение промежуточных упоров, связывающих перемещение пьезоэлементов с деформацией пластины, позволяет формировать отражающую поверхность с требуемой точностью. Выбор размеров пьезоэлементов в соответствии с выражением (1) обусловлен следующими соображениями. Для получения максимального прогиба распределение сил по всей отражающей пластине должно быть равномерным (Справочник по сопротивлению материалов. Отв. ред. Писаренко Г.С. Киев: Наукова думка, 1988).

Сила, развиваемая одним пьезоэлементом, пропорциональна отношению h_i/R_i. При выборе параметров пьезоэлементов выполнение условий (1) обеспечит h_i/R_i = const. Таким образом, прогиб отражающей пластины в этом случае будет максимальным. Изгиб пьезоэлементов пропорционален величине R_i²/h_i. Величину R₁ выбирают, исходя из требований максимального прогибаΔ L отражающей пластины 2 в соответствии с соотношением:
R₁= где h_i - толщина биморфного пьезоэлемента;
d₃₁ - пьезомодуль;
Е_с - максимально допустимая напряженность поля.

Величина остальных пьезоэлементов, в частности их радиус R_iвыбирается из условия R_i+1 < R_i. При этом закон уменьшения R_i от одного к другому может быть произвольным, например линейным, и выбираться исходя из конкретных размеров всей конструкции. При этом необходимая величина прогиба будет обеспечиваться ограничениями, накладываемыми на h₁ в соответствии с (1).

При выполнении условия (1) мембрана под действием пьезоэлементов будет деформироваться по закону: H = H_max (1 - x²).

Предложенное устройство обладает по сравнению с прототипом меньшими габаритами и большим быстродействием. Выигрыш в низшей резонансной частоте пьезопластины предложенного устройства будет получен за счет использования в качестве блока создания деформаций биморфных пьезоэлементов; масса упоров в предложенной конструкции будет значительно меньше за счет уменьшения в несколько раз их размеров; в отличие от прототипа, в предложенном устройстве каждый из элементов нагружен только на один упор. Поэтому резонансные характеристики системы упор - пьезоэлемент будет определяться только массой упора. В прототипе все упоры нагружены на один пьезопакет, и поэтому их резонансные характеристики будут определяться суммарной массой всех упоров, т.е. будет хуже.

Использование: в различных резонаторных устройствах для концентрации электромагнитного излучения. Сущность изобретения: в зеркале с регулируемым фокусным расстоянием блок создания деформирующих усилий выполнен в виде установленных между отражающей пластиной и корпусом на одном стержне с диэлектрическими прокладками дисковых биморфных пьезоэлементов, а каждый кольцевой упор соединен с краем соответствующего дискового пьезоэлемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЗЕРКАЛО С РЕГУЛИРУЕМЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ, содержащее корпус со стенкой, выполненной в виде отражающей пластины, и блок деформации отражающей пластины, расположенный внутри корпуса и включающий кольцевые упоры отражающей пластины и пьезоэлементы для их перемещения, отличающееся тем, что пьезоэлементы выполнены биморфными в форме дисков с отверстиями в центральной части и насажены на стержень, дополнительно введенный в блок деформации отражающей пластины и закрепленный в корпусе, а каждый кольцевой упор отражающей пластины связан с краем диска биморфного пьезоэлемента. 2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит источник питания, биморфные пьезоэлементы подсоединены к нему параллельно, а между биморфными элементами установлены диэлектрические прокладки.