ОДНОКООРДИНАТНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ДЕФЛЕКТОР Российский патент 2002 года по МПК G02B26/10 

Изобретение относится к преобразователям электрических колебаний ультразвуковой частоты в механические крутильные колебания рефлектора и может использоваться в механических системах разверток лазерных (лучевых) воспроизводящих устройств.

Известные механические системы разверток лазерных воспроизводящих устройств с использованием зеркальных барабанов (см. например патенты Российской Федерации 2025752, МПК 5 G 02 B 26/10, опубл. 1994 г., 1846404, МПК 5 G 02 B 26/10, опубл. 1993 г.) отличаются особой сложностью и трудно реализуемы, т. к. требуются высокоскоростные и высокоточные двигатели и малоинерционные прецизионные зеркальные барабаны, изготовление которых доступно далеко не каждой специализированной производственной компании.

Использование в качестве сканирующих дефлекторов одиночных зеркал с гальванометрическим приводом (см. , например, патент Российской Федерации 2024896 МПК 5 G 02 B 26/10) ограничено низким частотным диапазоном и невысокой разрешающей способностью.

Поэтому создание высокочастотных (свыше 25 кГц), отличающихся высокой надежностью и низкой стоимостью механических систем развертки является весьма актуальной задачей.

В авторском свидетельстве СССР 632401, МПК 2 В 06 В 1/06, опубл. 1978 г. бюл. 42, описан генератор механических колебаний, который по технической сути представляет собой преобразователь электрических колебаний в механические крутильные колебания. Этот генератор содержит цилиндрический пьзокерамический электромеханический преобразователь, один конец которого прикреплен к неподвижному основанию, а другой - к концентратору, выполненному в виде конической пружины с прикрепленным к ее вершине наконечником. Когда наконечник выполнен в виде отражателя (рефлектора), этот генератор может использоваться в качестве однокоординатного сканирующего дефлектора.

Такой сканирующий дефлектор принят в качестве прототипа заявляемого технического решения.

Общими признаками заявляемого однокоординатного сканирующего дефлектора с прототипом являются
- наличие преобразователя электрических колебаний в механические;
- наличие неподвижного основания;
- наличие концентратора продольных механических колебаний;
- наличие рефлектора (отражателя).

Недостаток прототипа - рефлектор, закрепленный на вершине конического концентратора, совершает не только крутильные, но и продольно-поперечные колебания, причем их величина настолько велика, что не позволяет получить достаточную разрешающую способность при углах сканирования более 10^o.

Технический результат от использования устройства - увеличение угла сканирования дефлектора без снижения разрешающей способности.

Указанный технический результат достигается тем, что однокоординатный сканирующий дефлектор, содержащий преобразователь электрических колебаний в продольные механические, прикрепленный передней поверхностью к концентратору продольных механических колебаний, и рефлектор, дополнительно содержит второй, идентичный первому, преобразователь электрических колебаний в продольные механические, прикрепленный передней поверхностью к концентратору продольных механических колебаний, при этом оба преобразователя электрических колебаний в продольные механические и оба концентратора продольных механических колебаний размещены относительно друг друга вдоль общей оси симметрии, направлены вершинами друг к другу и закреплены на неподвижных основаниях по узловым плоскостям, рефлектор размещен между вершинами концентраторов продольных механических колебаний и соединен с каждым из концентраторов продольных механических колебаний через преобразователи продольных механических колебаний в крутильные, при этом отражающая поверхность рефлектора расположена в плоскости, проходящей через общую ось симметрии преобразователей электрических колебаний в продольные механические и концентратору продольных механических колебаний. В качестве преобразователей электрических колебаний в продольные механические могут использоваться идентичные пьезокерамические или магнитострикционные преобразователи. Оба преобразователя электрических колебаний в продольные механические запитываются синфазными электрическими напряжениями. Каждый преобразователь продольных механических колебаний в крутильные выполнен в виде двух жестких скрученных нитей, концы которых прикреплены к краям вершины концентратора продольных механических колебаний и торцам рефлектора, при этом нити преобразователя продольных колебаний в крутильные, соединенного с вершиной первого концентратора продольных механических колебаний и нити преобразователя продольных колебаний в крутильные, соединенного с вершиной второго концентратора продольных механических колебаний, скручены в противоположных направлениях относительно общей оси симметрии.

Второе основание может иметь возможность прецизионного перемещения и фиксации по трем ортогональным координатам.

Устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображена конструкция заявляемого однокоординатного сканирующего дефлектора.

На фиг.2 условно изображены силы и моменты, воздействующие на рефлектор.

На фиг.1 и 2 цифрами обозначены:
1, 2 - первое и второе основания;
3, 4 - первый и второй преобразователи электрических колебаний в продольные механические;
5₁, 5₂, 6₁, 6₂ - клеммы подвода электрического тока (напряжения) к преобразователям электрических колебаний в продольные механические;
7, 8 - первый и второй концентраторы продольных механических колебаний;
9 - рефлектор;
10, 11 - первый и второй преобразователи продольных механических колебаний в крутильные;
12 - ось симметрии;
13, 14 - вершины первого и второго концентраторов продольных механических колебаний;
15', 15, 16, 16', 17, 17', 18, 18' - концы нитей преобразователей продольных механических колебаний в крутильные;
19, 20 - пассивные частотопонижающие тыльные накладки.

Заявленный однокоординатный сканирующий дефлектор (фиг.1) содержит первое и второе основания 1 и 2, первый и второй преобразователи 3 и 4 электрических колебаний в продольные механические, к которым через клеммы 5₁, 5₂, 6₁, 6₂ подводятся колебания электрического тока или напряжения, первый и второй концентраторы 7 и 8 продольных механических колебаний, рефлектор 9, первый и второй преобразователи 10 и 11 продольных механических колебаний в крутильные.

Преобразователи 3, 4, концентраторы 7, 8, преобразователи 10, 11 и рефлектор 9 имеют общую ось симметрии 12, которая является и осью вращения рефлектора 9. Преобразователи 3, 4 жестко скреплены с основаниями 1 и 2.

Преобразователь 3, концентратор 7, преобразователь 10, рефлектор 9, преобразователь 11, концентратор 8 и преобразователь 4 соединены последовательно.

Каждый из преобразователей продольных колебаний в крутильные 10, 11 выполнен в виде двух скрученных нитей. Концы нити 15-15' преобразователя 10 соединены с верхними точками вершины 13 концентратора 7 и торца рефлектора 9, а нити 16-16' - с нижними точками (фиг.2а, 2б).

Концы нити 17-17' преобразователя 11 скреплены с верхними точками вершины 14 концентратора 8 и другого торца рефлектора 9, а нити 18-18' - с нижними точками (фиг.2а, 2б).

Нити 15-15', 16-16' и нити 17-17', 18-18' имеют разнонаправленную скрутку. Для обеспечения юстировки положения рефлектора 9 основание 2 может иметь механизмы прецизионного перемещения (на фиг.1 не показаны) основания 2 вдоль осей ортогональных координат X, Y, Z с жесткой фиксацией положения. Концентраторы 7, 8 должны иметь одинаковую резонансную частоту.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Перед началом эксплуатации положение основания 2 фиксируется таким образом, чтобы оси симметрии преобразователей 3, 4, концентраторов 7, 8, рефлектора 9 и преобразователей 10, 11 совпали, а нити преобразователей 10, 11 подверглись упругой деформации, превышающей на 5%...10% половину изменения деформации при крайних рабочих положениях.

Юстировка осуществляется относительно положения источника светового луча, в качестве которого могут быть использованы лазер, галогенные лампы.

В процессе эксплуатации на преобразователи 3, 4 через клеммы 5₁, 5₂ и 6₁, 6₂ подаются синфазные электрические сигналы, например синусоидальные колебания электрического тока (напряжения). Эти сигналы вызывают синфазные изменения геометрических размеров преобразователей 3, 4 вдоль оси 12, которые через контактные поверхности с концентраторами 7, 8 вызывают в последних продольные механические колебания, амплитуда которых будет максимальной в вершинах 13, 14. Продольные колебания вершин 13, 14 вызывают изменения натяжения нитей преобразователей 10, 11.

При изменении натяжения этих нитей в местах скрутки возникают тангенциальные напряжения и крутильные моменты. Поскольку нити преобразователя 10 имеют скрутку, противоположную по направлению скрутке нитей преобразователя 11, крутящие моменты М_кр, возникающие в точках 15', 16', 17' и 18', имеют одинаковое направление относительно оси 12 и при равенстве сжимающих (растягивающих) сил F (на фиг.2а и 2б) будут равны. Равенство крутящих моментов М_кр и продольных сил F исключает продольные и поперечные колебания рефлектора 9, поэтому заявленный сканирующий дефлектор имеет в сравнении с прототипом более высокую разрешающую способность, что позволяет увеличить угол сканирования до ±40^o при высокой разрешающей способности.

Идентичность преобразователей 10, 11 достигается тем, что они выполняются из одной нити, например, следующим образом. Один конец нити закрепляется в верхней точке 15 вершины 13 концентратора 7, далее нить протягивается по верхней канавке рефлектора 9, закрепляется в точках 15', 17' рефлектора 9, в верхней точке 17 вершины 14 второго концентратора 8, протягивается к нижней точке 18 вершины 14 концентратора 8, закрепляется в ней, затем протягивается по нижней канавке рефлектора 9, закрепляется в точках 18', 16' рефлектора 9 и в нижней точке 16 вершины 13 концентратора 7. После этого рефлектор 9 поворачивается вокруг общей оси симметрии на 90...360^o, при этом нити скручиваются между вершинами 13, 14 концентраторов 7, 8 и торцами рефлектора 9 в противоположных направлениях относительно оси симметрии 12, вследствие чего натяжение нити будет по всей длине одинаковым.

Авторами изготовлен макет заявляемого однокоординатного сканирующего дефлектора со следующими техническими характеристиками:
- частота сканирования - 27,5 кГц;
- угол сканирования ±35;
- разрешающая способность - до 2200 строк на размер экрана при размерах рефлектора 10•10 мм².

С такими техническими характеристиками заявляемый однокоординатный сканирующий дефлектор найдет применение в системах развертки лазерных (лучевых) воспроизводящих устройств.

Изобретение относится к преобразователям электрических колебаний ультразвуковой частоты в механические крутильные колебания ультразвуковой частоты рефлектора и может использоваться в механических системах лазерных (лучевых) воспроизводящих устройств. Технический результат от использования изобретения - увеличение угла сканирования без снижения разрешающей способности. Этот технический результат достигается тем, что однокоординатный сканирующий дефлектор, содержащий преобразователь электрических колебаний в продольные механические, прикрепленный одним концом к неподвижному основанию, а другим - к концентратору продольных механических колебаний, и рефлектор, дополнительно содержит второй преобразователь электрических колебаний в продольные механические, прикрепленный одним концом ко второму основанию, а другим - ко второму концентратору продольных механических колебаний. Оба преобразователя и оба концентратора размещены относительно друг друга вдоль общей оси симметрии и направлены вершинами друг к другу. Рефлектор размещен между вершинами концентраторов, при этом отражающая поверхность рефлектора расположена в плоскости, проходящей через общую ось симметрии, и рефлектор скреплен с вершинами концентраторов через преобразователи продольных механических колебаний в крутильные. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Однокоординатный сканирующий дефлектор, содержащий преобразователь электрических колебаний в продольные механические, прикрепленный передней поверхностью к концентратору продольных механических колебаний, и рефлектор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй, идентичный первому, преобразователь электрических колебаний в продольные механические, прикрепленный передней поверхностью ко второму концентратору продольных механических колебаний, при этом оба преобразователя электрических колебаний в продольные механические и оба концентратора продольных механических колебаний размещены относительно друг друга вдоль общей оси симметрии, направлены вершинами друг к другу и закреплены на неподвижных основаниях по узловым плоскостям, рефлектор размещен между вершинами концентраторов продольных механических колебаний и соединен с каждой из них через преобразователь продольных механических колебаний в крутильные, при этом отражающая поверхность рефлектора расположена в плоскости, проходящей через общую ось симметрии преобразователей электрических колебаний в продольные механические и концентраторов продольных механических колебаний. 2. Однокоординатный сканирующий дефлектор по п.1, отличающийся тем, что преобразователи электрических колебаний в продольные механические колебания записываются синфазными электрическими напряжениями. 3. Однокоординатный сканирующий дефлектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что преобразователи электрических колебаний в продольные являются пьезокерамическими. 4. Однокоординатный сканирующий дефлектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что преобразователи электрических колебаний в продольные механические являются магнитострикционными. 5. Однокоординатный сканирующий дефлектор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что каждый преобразователь продольных колебаний в крутильные выполнен в виде двух упругих скрученных нитей, одна из которых соединена с верхними точками вершины концентратора и торца рефлектора, а другая - с нижними точками, причем нити преобразователя продольных колебаний в крутильные, соединенного с вершиной первого концентратора продольных механических колебаний, и нити преобразователя продольных колебаний в крутильные, соединенного с вершиной второго концентратора продольных механических колебаний, скручены в противоположных направлениях относительно общей симметрии концентраторов. 6. Однокоординатный сканирующий дефлектор по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что второе основание имеет возможность прецизионного перемещения и фиксации положения по трем осям ортогональных координат.