ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель 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.
Уровень техники.
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. 01.11.1990 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.
Известен 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.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является оптический дефлектор, изложенный в патенте РФ №2606520, МПК G02B 26/08, опубл. 10.01.2017, принятый за прототип. Оптический дефлектор содержит корпус, зеркало в оправе, подвесы, 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, среднее основание, исполнительные приводы, подпятники, толкатели, датчики и систему управления.
Недостатком данного технического решения является неудовлетворительная работа в условиях сильных механических воздействий. Раскрытие сущности полезной модели.
Задачей настоящей полезной модели является упрощение конструкции при сохранении быстродействия, точности при отработке углов отклонения зеркала, надежности, а также повышение стойкости в условиях сильных механических воздействий.
Технический результат получен за счет того, что в пьезоэлектрическом двухкоординатном однозеркальном оптическом дефлекторе, содержащем корпус, зеркало в оправе, механизм поворота, исполнительные приводы, толкатели, датчики и систему управления механизм поворота выполнен в виде сферического шарнира, содержащего обойму, втулку, винт.
Исполнительные приводы выполнены из пьезоактюаторов на основе многослойных пьезоэлементов, причем и первый, и второй пьезоактюатор установлены между корпусом и оправой с зеркалом перпендикулярно друг другу.
В дефлекторе располагаются два датчика линейных перемещений, позволяющие измерять углы наклона зеркала, причем и первый, и второй датчики установлены между корпусом и оправой с зеркалом.
Система управления выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату процессора с интерфейсом и модуль питания.
Описание чертежей.
Сущность изобретения отражена на чертежах.
На фиг. 1 представлен общий вид оптического дефлектора, вид сверху.
На фиг. 2 представлен общий вид оптического дефлектора, продольное сечение.
На фиг. 3 представлен общий вид оптического дефлектора, вид снизу.
На фиг. 4 представлен общий вид оптического дефлектора, поперечное сечение.
Осуществление полезной модели.
Устройство содержит:
1 - зеркало;
2 - оправу зеркала;
3 - первый пьезоактюатор;
4 - второй пьезоактюатор;
5 - корпус;
6 - кольцо;
7 - фиксаторы пружинные с закругленным упором;
8 - обойму;
9 - втулку;
10 - винт;
11 - толкатели.
Предложенный оптический дефлектор работает следующим образом.
До начала работы зеркало 1 в оправе 2 под действием пружинных фиксаторов с закругленным упором 7 находится в нейтральном положении. При работе на первый пьезоактюатор 3 от блока управления подается управляющее напряжение. При подаче управляющего напряжения на пьезоэлементы пьезоактюатора 3 они удлиняются, а высота пьезоактюатора 3 уменьшается, под действием пружинных фиксаторов с закругленным упором 7 зеркало 1 в оправе зеркала 2 перемещается к пьезоактюатору и происходит поворот зеркала 1 по первой оси в сферическом шарнире содержащим обойму 8, втулку 9, винт 10. При снятии напряжения с пьезоактюатора 3 процесс происходит в обратном порядке, пьезоэлементы пьезоактюатора уменьшаются, высота пьезоактюатора увеличивается, он толкает зеркало 1 в оправе 2 в обратную сторону, зеркало 1 возвращается в исходное положение. Второй пьезоактюатор 4 работает аналогичным образом. Кольцо 6 выполненное из твердого материала служит для предотвращения деформации оправы зеркала 2. Толкатели 11 со сферической головкой, установленные на пьезоактюаторах передает усилие от пьезоактюаторов на оправу.
Для создания каналов обратной связи в оптический дефлектор устанавливаются датчики линейных перемещений. Датчики устанавливаются между оправой 2 с зеркалом 1 и корпусом 5.
Предлагаемое устройство за счет использования сферического шарнира позволяет добиться работы дефлектора в условиях сильных механических воздействий.
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 процессора с интерфейсом, обеспечивающая выполнение всех вычислительных и управляющих алгоритмов работы дефлектора, что позволяет осуществлять управление положением луча в пространстве.
В заявленном оптическом дефлекторе со сферическим шарниром и исполнительным приводом в виде пьезоактюаторов достигается упрощение конструкции при сохранении быстродействия, точности при отработке углов отклонения зеркала, надежности, а также повышение стойкости в условиях сильных механических воздействий.
Список использованных источников информации:
Патент RU 2212045 C1 G02F 1/29, 10.09.2003 Оптико-механический дефлектор;
Авторское свидетельство SU 1756853 G02F 1/29, 01.11.1990 Магнитоэлектрический дефлектор;
Патент RU 2205439 С2 G02F 1/29, 27.05.2003 Устройство для пространственного отклонения луча;
Патент RU 86324 U1 G02F 1/29, 27.08.2009 Оптический дефлектор;
Патент RU 2606520 C1 G02F 1/29, 10.01.2017 Пьезоэлектрический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор.