ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР
TWO-DIMENSIONAL PIEZOELECTRIC DEFLECTOR

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам сканирования, и может быть использовано в оптико-механических системах для управления отклонением лазерного луча в технологических лазерных установках.
Известны устройства сканирования или отклонения оптических лучей, описанные в патентах US 6956683, G02B 26/08, опубл. 18.10.05, RU 2258947, G02B 26/10, опубл. 20.08.2005, содержащие зеркало с оправой и биморфные пьезоэлектрические актюаторы (элементы), взаимодействующие с оправой. Основным недостатком таких устройств является малый угол качания зеркала, причем только вокруг одной оси.
Известен двухкоординатный оптический дефлектор (RU 2338231, G02B 26/10, опубл. 10.11.2008), содержащий зеркало, установленное с возможностью поворота на кардановом подвесе, пьезоэлектрические преобразователи и упругие элементы, закрепленные на неподвижном основании. Каждый пьезоэлектрический преобразователь связан с зеркалом через толкатель в виде рычага, установленного шарнирно на неподвижном основании. Недостатком такого устройства является наличие большого количества шарнирных узлов (шесть), которые имеют люфты и ухудшают точность отработки углов качания зеркала. Кроме этого рычаги и кардановый подвес имеют значительные массу и габариты, что ухудшает быстродействие дефлектора в целом.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является двухкоординатный оптический дефлектор по авторскому свидетельству SU 1493973, G02B 26/10, опубл. 15.07.89. Указанное устройство содержит корпус, оправу с зеркалом, установленную в корпусе при помощи сферического шарнира на стойке (опоре), и биморфные пьезоэлектрические актюаторы (пластинки), взаимодействующие с оправой через закрепленные на них толкатели.
Недостатками прототипа являются
- низкая чувствительность к управляющим сигналам (то есть низкая разрешающая способность) и стабильность дефлектора, так как в зоне контакта толкателей с оправой возникают силы трения скольжения, которые изменяются при износе, искажая реакции зеркала на управляющие сигналы;
- наличие искажений реакции зеркала на управляющие сигналы вследствие несимметричной схемы передачи усилия от биморфных пьезоэлектрических актюаторов через толкатели на оправу зеркала, так как они расположены параллельно с одной стороны от оси качания зеркала.
Задачей заявляемого изобретения является создание двухкоординатного пьезоэлектрического дефлектора, обладающего высокой чувствительностью, точностью и стабильностью отработки управляющих сигналов.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности и стабильности процесса управления поворотом зеркала по двум координатам.
Указанный результат заявляемого изобретения достигается тем, что в известном двухкоординатном пьезоэлектрическом дефлекторе, содержащем оправу с зеркалом, установленную при помощи сферического шарнира в корпусе на стойке, и биморфные пьезоэлектрические актюаторы, взаимодействующие с оправой через толкатели, закрепленные на них, согласно заявляемому изобретению биморфные пьезоэлектрические актюаторы расположены крестообразно и симметрично относительно зеркала, а толкатели связаны с оправой через шарики, причем шарики установлены в гнездах толкателей, диаметр которых меньше диаметра шариков. Указанный результат достигается также тем, что оправа выполнена в виде стакана с фланцем, а шарики контактируют с плоской кольцевой поверхностью фланца, обращенной к тыльной стороне зеркала, причем стойка снабжена регулировочным винтом, позволяющим смещать сферический шарнир перпендикулярно плоскости зеркала.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Расположенные крестообразно и симметрично относительно зеркала биморфные пьезоэлектрические актюаторы создают симметричное силовое воздействие с четырех сторон на оправу с зеркалом посредством толкателей, взаимодействующих с ней через шарики, которые уменьшают силу трения между оправой и толкателями при качании зеркала, повышая тем самым точность отработки управляющих сигналов.
Для однозначности положения зон контакта толкателей с оправой шарики установлены в гнездах толкателей, диаметр которых меньше диаметра шариков. Такое техническое решение также способствует повышению стабильности и точности отработки управляющих сигналов.
Для обеспечения одинакового и надежного силового замыкания всех толкателей с оправой она выполнена в виде стакана с фланцем, и шарики контактируют с плоской кольцевой поверхностью фланца, обращенной к тыльной стороне зеркала, а стойка снабжена регулировочным винтом, позволяющим смещать сферический шарнир перпендикулярно плоскости зеркала. Это решение позволяет регулировать и обеспечивать равномерный и симметричный поджим всех биморфных пьезоэлектрических актюаторов с толкателями к оправе с зеркалом, что также повышает точность отработки управляющих сигналов. Кроме того, любое случайное угловое смещение зеркала вокруг оси сферического шарнира, перпендикулярной плоскости зеркала, не приведет к искажению сигналов, так как шарики контактируют с плоской кольцевой поверхностью фланца оправы.
Таким образом, благодаря совокупности указанных существенных признаков заявляемого дефлектора достигается высокая точность и стабильность процесса управления поворотом зеркала по двум координатам.
На фиг.1 представлен фронтальный разрез двухкоординатного пьезоэлектрического дефлектора, на фиг.2 изображен вид A в увеличенном масштабе, на фиг.3 - вид дефлектора сверху со схемой подключения к системе управления.
Двухкоординатный пьезоэлектрический дефлектор содержит зеркало 1 с оправой 2, установленное в корпусе 3 на стойке с регулировочным винтом 4 при помощи сферического шарнира 5 (например, шарика, установленного в гнезде стойки и оправы). В корпусе 3 радиально и крестообразно закреплены четыре биморфных пьезоэлектрических актюатора 6 при помощи кольца 7 через упругие прокладки 8. На свободных концах биморфных пьезоэлектрических актюаторов 6 закреплены (например, приклеены) толкатели 9, в гнездах 10 которых установлены шарики 11, контактирующие с кольцевой поверхностью оправы 2. Для регулировки поджима оправы 2 к толкателям 9 стойка с регулировочным винтом 4 имеет возможность смещаться относительно корпуса 3. Для фиксации положения стойки с регулировочным винтом 4 предусмотрена контргайка 12. Потенциальные электроды биморфных пьезоэлектрических актюаторов 6 подключены к системе управления 13. Корпус 3 и общие электроды биморфных пьезоэлектрических актюаторов 6 заземлены.
Двухкоординатный пьезоэлектрический дефлектор работает следующим образом. При подаче системой управления 13 противофазных управляющих напряжений на противоположные относительно зеркала 1 биморфные пьезоэлектрические актюаторы 6 они изгибаются в противоположные стороны. Изогнутый вниз биморфный пьезоэлектрический актюатор 6 (например, левый актюатор на фиг.1) давит закрепленным на его конце толкателем 9 через шарик 11 на оправу 2. Одновременно изогнутый вверх другой противоположно расположенный биморфный пьезоэлектрический актюатор 6 (правый актюатор на фиг.1) уменьшает давление на оправу 2, вызывая тем самым поворот зеркала 1 относительно сферического шарнира 5 против часовой стрелки. При подаче управляющих напряжений противоположного знака зеркало 1 поворачивается по часовой стрелке. Качание зеркала 1 вокруг другой оси осуществляется аналогичным образом при подаче противофазных напряжений на другую пару биморфных пьезоэлектрических актюаторов. Благодаря такой схеме включения и конструкции силы сопротивления в зонах контакта шариков 5 с опорой 2 уменьшаются (но не до нуля), что повышает точность отработки поворота зеркала.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать надежную высокоточную и стабильную систему отклонения лазерного луча для применения в технологическом и ином оборудовании.
При реализации заявляемого изобретения для отклонения луча технологического лазера на максимальный угол ±5° зеркало, выполненное из полированного кремния, может иметь диаметр порядка 15 мм и толщину 2 мм. В качестве биморфных пьезоэлектрических актюаторов могут быть использованы пьезопреобразователи, выпускаемые ОАО «ЭЛПА» (Россия). Остальные детали могут быть выполнены из титана или дюралюминия. Управляющее напряжение на частотах до 100 Гц не более 60 B.