ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДЕФЛЕКТОР
PIEZOELECTRIC SINGLE-MIRROR TWO-AXIS OPTICAL DEFLECTOR

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.