ЗАЖИМ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к зажимам для крепления компонентов оптических систем.
При построении различных оптических систем, например, интерферометров, часто возникает необходимость в соединении деталей из металла (держатели, юстировочные платформы) с хрупкими компонентами из стекла (зеркала, делительные кубики, поляризаторы, фазовращатели) и электромеханических элементов управления (пьезокерамики, пьезоактуаторов). Соединение таких компонентов осуществляют двумя способами: с использованием механических зажимов различных конструкций и с использованием клеящих составов. Как правило, возможности применения механических зажимов на практике ограничиваются простым неподвижным соединением только одного хрупкого элемента - зеркала в зажиме с использованием упругих прокладок http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3&pn.
Использование же в одном оптическом узле одновременно нескольких хрупких элементов, не представляется возможным, поэтому чаще всего на практике для закрепления нескольких хрупких оптических компонентов в одном узле, например, зеркала и пьезокерамики, используют клеевое соединение в виде клеевого слоя. Как правило, применяют полимерные клеи на основе эпоксидных смол, например, ЭП-20 или его аналоги. Достоинством использования такого соединения является его низкая стоимость, однако имеется и ряд существенных недостатков. Среди них можно отметить длительность процесса соединения деталей, поскольку полная полимеризация составов происходит в течение суток; сложность технологического процесса соединения и необходимость тщательного его соблюдения, так как качество соединения напрямую зависит от точности пропорций компонентов состава клея; качества фиксации деталей в течение всего процесса полимеризации клея; потеря прочностных характеристик в условиях повышенной влажности, вследствие микроперемещений при работе пьезокерамических элементов, а также вследствие старения материала самого клея. Кроме того, затруднена замена склеенных компонентов, поскольку замена любого из элементов конструкции ведет к необходимости разъема клеевого соединения, что в ряде случаев ведет к повреждению оптических компонентов (в основном пьезокерамических элементов), тщательной зачистке всех поверхностей и новому склеиванию.
Наиболее близкой по назначению к заявляемой полезной модели является механический зажим KS2D http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroupid=3&pn=KS2D.
Зажим представляет собой фланец с поперечным отверстием для крепления винта, обеспечивающего закрепление оптического элемента, и упорного кольца. На конце винта расположен упругий элемент в виде прокладки для предотвращения повреждения закрепляемого оптического элемента. Фланец закреплен на монтажной пластине. Однако такое устройство не позволяет удерживать одновременно несколько хрупких оптических элементов. Например, установку пьезокерамики и зеркала с обеспечением надежного контакта между ними в известном зажиме можно осуществить только с помощью клеевого соединения, однако оно не позволяет пьезокерамическому элементу иметь степень свободы для работы, в том числе и потому, что пьезокерамика из-за изменений в геометрических размерах растрескивается во время работы.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка зажима для соединения нескольких компонентов оптических систем.
Поставленная задача решается зажимом для соединения компонентов оптических систем, выполненным в виде корпуса, образованного поверхностью вращения, перфорированной продольными отверстиями и ограниченной, с одной стороны, опорным фланцем, а с другой стороны, упорным кольцом, внутренний диаметр которого меньше диаметра удерживаемого компонента оптической системы, при этом в качестве образующей поверхности вращения используют выгнутую наружу дугу.
В отличие от прототипа, устройства плоского и жесткого, заявляемый зажим представляет собой пространственный упругий элемент растяжения-сжатия, имеющий в установленном виде предварительно растянутое состояние. Это позволяет одновременно осуществлять упругое удержание хрупких оптических компонентов за счет упорного кольца и жесткое крепление самого зажима к держателю-основанию за счет фланца. Зажим не удерживает оптические детали по отдельности, а прижимает весь пакет соединяемых элементов к одному несущему элементу - держателю-основанию. Степень свободы за счет упругой пластичности зажима позволяет обеспечить не только плотное прилегание оптических компонентов друг к другу, но и возможность работы электромеханических компонентов (пьезокерамики, пьезоактуаторов).
Техническим результатом заявляемого устройства по сравнению с прототипом является возможность соединения в зажиме нескольких компонентов оптических систем, улучшение его эксплуатационных характеристик, ремонтопригодности, а также упрощение сборки компонентов оптических систем.
На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов зажима при установке зеркала с пьезокерамикой на держателе-основании.
где 1 - корпус, 2 - фланец, 3 - упорное кольцо, 4 - зеркало (удерживаемый оптический компонент), 5 - пьезокерамика, 6 - держатель-основание, 7 - диэлектрическая прокладка.
Корпус (1) зажима может быть выполнен из любого подходящего для этих целей материала, металла или пластика. Пластик является наиболее предпочтительным в силу технологической простоты изготовления. Корпус может быть сделан современными методами аддитивно-экструзионного производства (трехмерной печати) или традиционными с использованием пресс-форм. При этом могут быть использованы различные виды термопластичных пластмасс с модулем упругости при изгибе 2000-3000 МПа, например, пластик ABS.
Продольная перфорация (на Фиг. 1 не показано) корпуса зажима позволяет уменьшить изгибающее усилие, увеличивая эластичность детали. Количество перфорируемых отверстий зависит от материала, из которого выполнен корпус.
Предлагаемый зажим для соединения хрупких оптических компонентов имеет и другие достоинства: оперативная замена компонентов, технологическая простота этой операции, низкая масса зажима. Величина предварительного растяжения, благодаря которому происходит удержание оптических компонентов, жесткость стенок корпуса выбираются индивидуально в конкретном зажиме, исходя из требований к соединению. Они зависят от массы и размеров соединяемых деталей, допустимой величины силы прижатия.
Поскольку непосредственный контакт зажима при использовании осуществляется только с держателем-основанием (6) и удерживаемыми компонентами оптической системы, например, (4) и (5), то дизайн корпуса (1) определяется, в основном, формой и размерами удерживаемых деталей, а также высотой пакета соединяемых компонентов. Принципиальным является обеспечение жесткого соединения на одной стороне пакета, например, за счет фланцевого (2) соединения корпуса с держателем-основанием (6), и удержание оптического компонента (4) с другой за счет выступа, образованного упорным кольцом (3), внутренний диаметр которого меньше диаметра удерживаемого компонента. Таким образом, усилие предварительно растянутого корпуса зажима будет направлено на прижатие оптических компонентов деталей как между собой, так и к держателю-основанию.
Стенка корпуса зажима образована поверхностью вращения, в качестве которой используют дугу, выгнутую наружу, благодаря чему средняя часть корпуса зажима - выпуклая. Это дает возможность при растяжении и сжатии зажима вдоль продольной оси работать материалу на изгиб, а не на растяжение.
Опорный фланец (2) зажима крепится на держателе-основании (6), например, металлическом, винтами. Форма фланца определяется формой и расположением крепежных отверстий на основании. Центральное отверстие фланца заведомо больше габаритов каждого из оптических компонентов, помещаемых внутрь.
Выступ, образуемый упорным кольцом (3), предназначен для надежного удержания компонентов внутри зажима, его величина, как правило, составляет 1-2 мм.
Величина итоговой высоты зажима определяется как сумма высот помещаемых в зажим за вычетом 1-2 мм. Эта величина может варьироваться и зависит от необходимой силы прижатия. При фиксации на держателе-основании зажим удлиняется на эту величину, производя упругое удержание оптических компонентов. Варьируя высоту (например, с использованием подкладных шайб под фланцем), можно изменять силу прижатия деталей.
Предлагаемый зажим может быть использован для соединения деталей из металла (держатели, котировочные платформы) с хрупкими компонентами из стекла (зеркала, делительные кубики, поляризаторы, фазовращатели) и электромеханических элементов управления (пьезокерамики, пьезоактуаторов).
Опытный образец зажима был изготовлен для крепления зеркала и пьезокерамики в интерферометре для измерения перемещений (фиг. 2). Материал зажима - ABS-пластик. Габаритные размеры образца, мм: фланец квадратный 49*49; наибольший диаметр в центральной части 48,8; посадочный диаметр в упорном кольце 33; размер кольцевого выступа на упорном кольце 1,6. Образец был изготовлен экструзионным методом на 3D-принтере Picasso Designer.
Испытания опытного образца прошли успешную проверку.
Таким образом, конструктивные особенности заявляемого устройства позволяют решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата, а именно, соединять несколько компонентов оптических систем с улучшением эксплуатационных характеристик, ремонтопригодности, а также упрощением сборки компонентов оптических систем.