МИКРОПРИВОД ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗЕРКАЛОМ ТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к микроэлектромеханическим системам и может применяться для углового позиционирования отраженного луча в пространстве, что в свою очередь находит применение в аппаратуре наведения и навигации, в системах управления по инфракрасному лучу, в телекоммуникационной технике и т.д.
Известны различные конструкции для углового позиционирования микрозеркал [1], [2], [3].
Традиционно конструкция микропривода для управления зеркалом представляет собой подвижный элемент с отражающей поверхностью, подвешенный на упругих торсионах в корпусе, и группу электродов системы съема информации и электродов датчика момента.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является микропривод фирмы Analog Devices [4, 5]. Конструкция представляет собой подвижный элемент с отражающей поверхностью - микрозеркало, содержащий отверстия, имеющий две степени свободы, подвешенный на упругих торсионах в корпусе, и группу электродов емкостной системы съема информации и электродов электростатического датчика момента.
Данная конструкция имеет ряд недостатков.
Подвес, который не обеспечивает высокую жесткость для линейного перемещения микрозеркала, что приводит к негативным последствиям: сила электростатического взаимодействия, применяемая в данном устройстве, имеет нелинейную природу, данная сила обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Линейное перемещение микрозеркала, вызванное внешним механическим возмущением в направлении оси, перпендикулярной поверхности зеркала изменяет зазор между обкладками что в свою очередь изменяет саму электростатическую силу, в случае уменьшения зазора данный эффект приводит к увеличению угла отклонения микрозеркала, и при большом возмущении к полной потери устойчивости системы. В случае увеличения зазора - к уменьшению угла отклонения микрозеркала. Таким образом, для системы подвеса, который не обеспечивает должную жесткость для "паразитных" степеней свободы внешние механические возмущения, приводят к самопроизвольному изменению углового положения микрозеркала, вплоть до его опрокидывания на максимально допустимый угол вследствие потери устойчивости.
Существующие отверстия на рабочей поверхности приводят к уменьшению отражающей поверхности, а также существенно искажают электростатическое поле между обкладками емкостного датчика перемещения и электростатического датчика
силы, что вносит значительную погрешность в определение текущей угловой координаты микрозеркала, и негативно сказывается, внося существенную нелинейность, на формировании дозированного усилия для датчика силы.
Также изменение зазора между обкладками изменяет коэффициент преобразования датчика перемещения, что в свою очередь приводит к искажению информации об угловом положении микрозеркала.
Задачей данной полезной модели является повышение стабильности углового положения микрозеркала при внешних возмущающих механических воздействиях, повышение точности углового положения микрозеркала, увеличение быстродействия микропривода.
Для реализации поставленной задачи предложена конструкция микропривода для управления зеркалом точного позиционирования, содержащая подвижный элемент с отражающей поверхностью, подвешенный с помощью торсионов в корпусе, который вместе с подвесом подвижного элемента закреплен на электрической плате, представляющей собой стеклянную пластину с двумя парами электродов, симметрично расположенных относительно оси подвеса - соответственно электродов емкостной системы съема перемещений и электродов электростатического датчика момента, торсионы выполнены крестообразными, на внешней стороне обоих плеч подвижного элемента с отражающей поверхностью выполнены углубления, поверхность подвижного элемента является гладкой.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 представлена конструкция микропривода для управления зеркалом точного позиционирования, где 1 - подвижный элемент с отражающей поверхностью; 2 -корпус микропривода; 3 - крестообразные торсионы; 4 - электрическая плата; 5 - электроды емкостной системы съема перемещений; 6 - электроды электростатического датчика момента; 7 - центральная часть подвижного элемента с отражающей поверхностью - микрозеркало; 8 - углубления на обоих плечах подвижного элемента с отражающей поверхностью.
В качестве подвеса микрозеркала используется крестообразный торсион, обеспечивающий относительно невысокую жесткость на вокруг оси торсиона и высокую жесткость по "паразитным" степеням свободы, что обеспечивает высокую стабильность углового положения подвижного элемента с отражающей поверхностью при внешних возмущающих механических воздействиях.
Для увеличения площади перекрытия электродов системы съема перемещений и электродов электростатического поля используются специальные прямоугольные плечи подвижного элемента по каждую сторону от торсиона, не содержащие отверстий, что в
свою очередь обеспечивает равномерное электростатическое поле и позволяет задавать с высокой точностью угловое положение микрозеркала и, также точно контролировать его.
Для расширения полосы частот (и, следовательно, увеличения быстродействия) уменьшены массы на внешней стороне обоих плеч подвижного элемента - на ней сделаны углубления.
Устройство работает следующим образом: подавая на обкладки датчика момента напряжение, возникает управляющий момент силы пропорциональный, прикладываемому напряжению и направленный вдоль оси торсиона, отклоняющий подвижный элемент с отражающей поверхностью на некоторый угол. В торсионе возникает момент упругих сил, пропорциональный углу отклонения, который компенсирующий управляющий момент. Подвижный элемент с отражающей поверхностью займет фиксированное положение при равенстве сил управляющего момента и момента упругих сил; величина угла пропорциональна подаваемому управляющему напряжению. Таким образом, падающий на центральную часть подвижного элемента с отражающей поверхностью, луч будет отклонен на фиксированный угол, пропорциональный подаваемому напряжению.
Заявленная конструкция микропривода может быть использована, например, для стабилизации оптической линии визирования, в системах сканирования изображения (например для считывания штрих-кода).
Источники информации:
1. Пат. US 2003007235 Соединенные штаты Америки, МПК G02B 26/08; Микропривод для управления зеркалом / YOON YONG-SEOP (КР); заявитель и патентообладатель SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD. - №200220173029, опубл. 09.01.2003.
2. Пат. JP 2002341264 Япония, МПК G02B 26/08; G02B 6/35; Микропривод для управления зеркалом/ YOON YONG-SEOP, BIN EIKUN, BE KI DOKU, заявитель и патентообладатель SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD. - №20010378790, опубл. 27.11.2007.
3. Пат. US 2007177242 Соединенные штаты Америки, МПК G02B 26/08; Микрозеркало и микропривод для управления зеркалом/ ESASHI MASAYOSHI (JP), KIKUCHI NAOKI (JP), PENTAX CORP (JP), заявитель и патентообладатель PENTAX CORP (JP). - №20060616328, опубл. 02.08.2007.
4. Пат. US 2005134320 Соединенные штаты Америки, МПК H03F 3/30; Н03К 19/00; Микропривод для МЭМС структур/ W ROESSIG TREY A III (US); LEMKIN MARK A (US); CLARK WILLIAM A (US), №20030738375, опубл. 23.06.2005.
5. http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/36-04/mirrors/