ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР Российский патент 2017 года по МПК G02B26/08 

Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2212045, G02F 1/29, 10.09.2003; RU 1756853, G02F 1/29, 23.08.1992; RU 2205439, G02F 1/29, 27.05.2003; RU 86324, G02F 1/29, 27.08.2009.

Изобретение относится к оптике, в частности к оптическим устройствам для управления положением и направлением оптических лучей в пространстве, и может найти применение в оптических информационно-измерительных системах.

Существует широкий спектр способов отклонения луча в пространстве. Наиболее распространенным является электромеханический способ управления угловым положением зеркала. Проблемной задачей при создании оптических дефлекторов с электромагнитным приводом является обеспечение высокой точности и высокого быстродействия отработки задаваемых углов поворота и сканирования зеркала. В последнее время популярными стали оптические дефлекторы на основе пьезоэлектрического эффекта.

Известен оптико-механический дефлектор, содержащий корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, и систему управления [Патент РФ №2212045, МКИ G02F 1/29, опубл. 10.09.2003 г.].

Недостатком данного устройства является отсутствие цепи обратной связи. Кроме того, зеркало может совершать колебания только вокруг одной оси.

Известно также техническое решение [А.С. СССР №1756853, МКИ G02F 1/29, опубл. 23.08.1992 г.], в котором магнитоэлектрический дефлектор содержит корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, датчик угла, и систему управления.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции. Кроме того, зеркало может совершать колебания только вокруг одной оси.

Известно устройство для пространственного отклонения луча [Патент РФ №2205439, МПК G02F 1/29, опубл. 27.05.2003 г.], содержащее корпус, в котором установлено зеркало в упругом подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки, и источник излучения.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность при отработке углов отклонения зеркала из-за отсутствия цепи обратной связи, а также большая масса и габариты подвижного узла.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству, принятому за прототип, является оптический дефлектор [Патент РФ №86324, МПК G01F 1/29, опубл. 27.08.2009], содержащий корпус, в котором установлено зеркало в подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки, датчики угла, арретир и систему управления.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции при сохранении быстродействия, точности при отработке углов отклонения зеркала, надежности, а также уменьшение массы и габаритов устройства.

Технический результат получен за счет того, что в пьезоэлектрическом двухкоординатном однозеркальном оптическом дефлекторе, состоящем из корпуса, зеркала в оправе, двух подвесов, среднего основания, исполнительных приводов, подпятников, толкателей, датчиков и системы управления, первый подвес выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен на оправе с зеркалом, другой - на среднем основании. Второй подвес также выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен на среднем основании, другой - на корпусе. Второй подвес расположен перпендикулярно к первому подвесу.

Исполнительные приводы выполнены из пьезоактюаторов на основе многослойных пьезоэлементов. Первый пьезоактюатор установлен между оправой с зеркалом и средним основанием, второй пьезоактюатор установлен между средним основанием и корпусом перпендикулярно первому пьезоактюатору.

Два датчика линейных перемещений позволяют измерять углы наклона зеркала, причем первый датчик установлен между оправой с зеркалом и средним основанием, второй датчик расположен между средним основанием и корпусом. Система управления выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.

Сущность изобретения отражена на чертежах.

На фиг. 1 представлен общий вид оптического дефлектора, вид сверху.

На фиг. 2 представлен общий вид оптического дефлектора, вид снизу.

1 - зеркало;

2 - оправа зеркала;

3 - первая плоская торсионная пружина;

4 - первый пьезоактюатор;

5 - среднее основание;

6 - вторая плоская торсионная пружина;

7 - второй пьезоактюатор;

8 - корпус;

9 - подпятник;

10 - толкатель.

Предложенный оптический дефлектор работает следующим образом. До начала работы зеркало 1 в оправе 2 под действием первой плоской торсионной пружины 3 прижимается к первому пьезоактюатору 4. Среднее основание 5 под действием второй торсионной пружины 6 прижимается ко второму пьезоактюатору 7. При работе на первый пьезоактюатор 4 от блока управления подается управляющее напряжение. При подаче управляющего напряжения на пьезоэлементы пьезоактюатора они удлиняются, а высота пьезоактюатора уменьшается, под действием пружины 3 зеркало 1 в оправе 2 перемещается к пьезоактюатору и происходит поворот зеркала 1 по первой оси. При снятии напряжения с пьезоактюатора 4 процесс происходит в обратном порядке, пьезоэлементы пьезоактюатора уменьшаются, высота пьезоактюатора увеличивается, он толкает зеркало 1 в оправе 3 в обратную сторону, зеркало 1 возвращается в исходное положение. Второй пьезоактюатор работает аналогичным образом. Подпятник 9 выполненный из твердого материала служит для предотвращения деформации оправы и среднего основания. Толкатель 10 со сферической головкой, установленный на пьезоактюаторах, передает усилие от пьезоактюаторов на оправу и среднее основание.

Для создания каналов обратной связи в оптический дефлектор устанавливаются датчики линейных перемещений. Датчики устанавливаются между оправой с зеркалом и средним основанием и между средним основанием и корпусом с обратной стороны от пьезоактюаторов.

Предлагаемое устройство позволяет достичь минимальных габаритов и массы.

Так, размеры подвижного зеркала в изготовленном опытном образце равны 50 мм, тогда как в прототипе оптическая отражающая поверхность зеркала выполнена в форме эллипса с размерами 20×33 мм, причем предлагаемое устройство значительно меньше прототипа по габаритам.

Предлагаемый дефлектор может работать как в режиме установки луча на заданные углы, так и в режиме сканирования. В первом случае дефлектор работает в диапазоне ±2° со временем отработки и временем возврата в исходное положение за 1…4 мс. В режиме сканирования дефлектор обеспечивает колебание луча с амплитудой ±2° и частотами до 2…3 кГц. Погрешности отработки задаваемых углов, удержания в нулевом положении и выдачи информации не превышают 150 мкрад. Функционирование дефлектора осуществляется с помощью блока управления, основным элементом которого является плата управления, обеспечивающая выполнение всех вычислительных и управляющих алгоритмов работы дефлектора, что позволяет осуществлять управление положением луча в пространстве.

В заявленном оптическом дефлекторе с подвесами, выполненными в виде плоских торсионных пружин, и исполнительным приводом в виде пьезоактюаторов достигается упрощение конструкции при сохранении быстродействия, надежности, точности при отработке углов отклонения зеркала, а также значительное уменьшение массы и габаритов устройства.

Изобретение относится к оптике, в частности, к оптическим устройствам для управления положением и направлением оптических лучей в пространстве и может найти применение в оптических информационно-измерительных системах. Пьезоэлектрический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор состоит из корпуса, зеркала в оправе, двух подвесов, среднего основания, исполнительных приводов, подпятников, толкателей, датчиков и системы управления. Первый подвес выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен на оправе с зеркалом, другой на среднем основании, второй подвес также выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен на среднем основании, другой на корпусе. Второй подвес расположен перпендикулярно к первому подвесу. Техническим результатом является упрощение конструкции при сохранении быстродействия, точности при отработке углов отклонения зеркала, надежности, а также уменьшение массы и габаритов устройства. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор, содержащий корпус, зеркало в оправе, подвесы, среднее основание, исполнительные приводы, подпятники, толкатели, датчики и систему управления, отличающийся тем, что первый подвес выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен на оправе с зеркалом, другой на среднем основании, второй подвес также выполнен в виде плоской торсионной пружины, один конец которой закреплен на среднем основании, другой на корпусе, при этом второй подвес расположен перпендикулярно к первому подвесу.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что исполнительные приводы выполнены из пьезоактюаторов на основе многослойных пьезоэлементов, причем первый пьезоактюатор установлен между оправой с зеркалом и средним основанием, второй пьезоактюатор установлен между средним основанием и корпусом перпендикулярно первому пьезоактюатору.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введены два датчика линейных перемещений, позволяющие измерять углы наклона зеркала, причем первый датчик установлен между оправой с зеркалом и средним основанием, второй датчик расположен между средним основанием и корпусом.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система управления выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.