Пьезодефлектор света

Авторы патента:

G02F1/29 - для управления положением или направлением луча света, т.е. отклонением луча (статические запоминающие устройства с электрическим или магнитным вводом и оптическим считыванием G11C; лазеры, снабженные средствами для изменения местоположения источника лазерного излучения или для изменения направления лазерного излучения, H01S 3/101)

G02B26/10 - сканирующие системы (специального назначения,см. соответствующие рубрики, например G03B 27/32, G03F 3/08,G03G 15/04,G09G 3/00, H04N)

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована в лазерных сканирующих системах, например в лазерных маркерах или системах трехмерного технического зрения [1].

Задача предлагаемой полезной модели - расширение полосы рабочих частот путем увеличения частоты крутильных резонансных колебаний.

Сущность предлагаемого технического решения - изменение взаимного расположения основных узлов прототипа и конструкции одного из них - оси.

Пьезодефлектор света, содержащий ось с отверстием, соединенную с корпусом, на которой установлено зеркало и четыре пьезопривода, консольно закрепленные в корпусе, свободные концы, которых соединены с осью с помощью четырех упругих элементов, причем в состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины, между которыми расположена прокладка, соединенная с ними с помощью клея, при этом упругие элементы соединены с концами пьезоприводов и осью цилиндрическими элементами. Зеркало расположено в центре оси между двумя парами пьезоприводов, а ось содержит второе отверстие, оба отверстия расположены симметрично друг другу относительно центра оси, и через каждое проходят по два упругих элемента, причем эти элементы параллельны друг другу и плоскости зеркала и перпендикулярны осям пьезоприводов.

Концы оси выполнены в виде плоских пластин, которые соединены с корпусом, параллельны осям пьезоприводов, перпендикулярны зеркалу и упругим элементам.

В качестве цилиндрических элементов использованы штифты. Предлагаемая полезная модель превосходит все известные модели (прототип и аналоги) по совокупности параметров. Она позволяет отклонять широкие световые пучки (порядка сантиметра и более) на относительно большие углы (50-100 мрад или 3-6°) и обеспечивает относительно широкую полосу рабочих частот (порядка 10 кГц и более).

Отсутствие подшипников, которые заменены плоскими пластинами, позволяет устранить трение покоя и прецизионно устанавливать луч в заданное положение.

Наиболее простой пьезодефлектор света состоит из консольно закрепленного биморфного пьезопривода, на свободном конце которого установлено зеркало. Угол сканирования излучения и полоса рабочих частот данной конструкции связаны с геометрическими параметрами ее элементов, следующими соотношениями [2]:

=12d₃₁E_m(L/H),

F=0,13 (H/L)V_зв/A,

где L и Н - длина и толщина пьезопривода, А - апертура зеркала, d₃₁, E_m и V_зв - пьезомодуль, максимальная напряженность электрического поля и скорость поперечных звуковых волн в пьезокерамике.

Такие дефлекторы позволяют получить небольшие углы сканирования - порядка 10 мрад и относительно небольшие полосы рабочих частот - несколько килогерц.

Небольшое увеличение полосы рабочих частот (порядка 20%) достигнуто введением между пьезокерамическими пластинами прокладки из материала с небольшой плотностью, например из стеклотекстолита [3].

Существенно увеличить угол сканирования (в несколько раз) позволяет использование механизма с упругими пластинами, которые соединяют пьезопривод с зеркалом [4]. Для данной конструкции зависимости угла сканирования и максимальной полосы рабочих частот от геометрических параметров ее элементов имеют вид:

где - расстояние между пластинами механизма передачи перемещений, k₁ и k₂ - коэффициенты.

Основной недостаток указанных аналогов - недостаточно широкая полоса рабочих частот, которая уменьшается при увеличении угла сканирования и апертуры зеркала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению - прототипом - является дефлектор света, который содержит не один, а четыре пьезопривода и ось, которая соединена с пьезоприводами упругими элементами, а зеркало установлено на конце этой оси.

В состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины и прокладка, расположенная между указанными пластинами и соединенная сними с помощью клея, а соединение упругих элементов с осью и пьезоприводами осуществляется с помощью соединительных элементов и клея [5].

Зависимости угла сканирования и максимальной полосы рабочих частот этого дефлектора от геометрических параметров его элементов также могут быть определены по формулам (1, 2), но значение коэффициента k₂ в несколько раз более высокое. Дефлектор обеспечивает угол сканирования до 100 мрад, апертуру до нескольких сантиметров и полосу рабочих частот до нескольких десятков килогерц.

Основной недостаток прототипа - неоптимальное взаимное расположение основных узлов - зеркало закреплено на одном конце оси, а пьезоприводы на другом, которое создает возможность резонансных крутильных колебаний с вращением концов оси в разные стороны. Единственный путь избежать указанных колебаний в полосе рабочих частот дефлектора - уменьшить длину оси ценой уменьшения ширины пьезоприводов, что не дает возможность создать конструкцию с еще большим коэффициентом k₂. Поэтому полоса рабочих частот прототипа, хотя и выше, чем у аналогов, но не отвечает требованиям разработчиков лазерных сканирующих систем.

Пьезодефлектор света, содержащий ось с отверстием, соединенную с корпусом, на которой установлено зеркало и четыре пьезопривода, консольно закрепленные в корпусе, свободные концы, которых соединены с осью с помощью четырех упругих элементов, причем в состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины, между которыми расположена прокладка, соединенная с ними с помощью клея, при этом упругие элементы соединены с концами пьезоприводов и осью цилиндрическими элементами; зеркало расположено в центре оси между двумя парами пьезоприводов, а ось содержит второе отверстие, оба отверстия расположены симметрично друг другу относительно центра оси, и через каждое проходят по два упругих элемента, причем эти элементы параллельны друг другу и плоскости зеркала и перпендикулярны осям пьезоприводов.

В качестве цилиндрических элементов использованы штифты.

Взаимное расположение узлов отличается тем, что предложенная конструкция симметрична относительно плоскости, перпендикулярной оси. Зеркало установлено не на конце, а в центре оси между двумя парами пьезоприводов, ось имеет не одно, а два отверстия, через каждое из которых проходят два упругих элемента, соединяющие ось со свободными концами пьезоприводов. Указанные изменения позволяют повысить жесткость оси по отношению к крутильным колебаниям благодаря уменьшению длины оси и расстояния между зеркалом и пьезоприводами, что решает задачу увеличения частот крутильных колебаний и расширения рабочей полосы пьезодефлектора.

Кроме того, установка зеркала не на конце, а в центре оси позволила ввести еще одно улучшение. На концах оси установлены плоские пластины, которые заменяют подшипники, что позволяет устранить трение покоя, которое препятствует прецизионной установке луча в заданное положение.

Предложенная полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3, где:

1 - зеркало;

2 - ось;

3 - пьезопривод;

4 - корпус;

5 - упругий элемент;

6 - штифт;

7 - пьезокерамическая пластина;

8 - прокладка;

9 - плоская пластина.

Пьезодефлектор света содержит зеркало 1, установленное на оси 2, и четыре пьезопривода 3, консольно закрепленные в корпусе 4, свободные концы которых соединены с осью 2 с помощью четырех упругих элементов 5 и восьми штифтов 6.

Конструкция пьезодефлектора света симметрична относительно плоскости, перпендикулярной оси 2. В центре оси 2 закреплено зеркало 1, а по обе стороны от него в оси имеются два отверстия (позиция не указана), которые расположены симметрично друг другу относительно центра оси, через каждое из них проходят по два упругих элемента 5, соединяющие ось 2 и пьезоприводы 3. Частью оси 2 являются плоские пластины 9, расположенные на концах этой оси и соединенные с корпусом 4. В местах соединения упругих элементов 5 с концами пьезоприводов 3 и осью 2 все перечисленные элементы имеют цилиндрические отверстия, в которые вставлены штифты 6.

Оси пьезоприводов 3 параллельны друг другу и плоскости пластин 9, являющихся частью оси 2, и перпендикулярны плоскости зеркала 1 и плоскостям упругих элементов 5.

Каждый из пьезоприводов 3 состоит из двух трапецеидальных пьезокерамических пластин 7 и прокладки 8, расположенной между этими пластинами и соединенной с ними с помощью клея.

Предложенный дефлектор работает следующим образом.

При подаче на пьезокерамические пластины 8 управляющего напряжения одна из этих пьезокерамических пластин расширяется, а другая сжимается, происходит изгиб пьезопривода 3 и его свободный конец перемещается на расстояние в несколько раз превышающее величину деформации пьезокерамических пластин. Указанное перемещение передается с помощью упругих элементов 5 оси 2, которая совместно с зеркалом 1 поворачивается и происходит отклонение пучка света, направленного на зеркало.

Упругие элементы 5 и плоские пластины 9 выполняют функции подшипников, позволяя оси поворачиваться, не допуская других перемещений.

В таблице приведены результаты расчета параметров прототипа и предложенной конструкции в предположении, что пьезопластины выполнены из ЦТС - 19 с пьезомодулем d₃₁=1,4·10^-10 м/В, предельной напряженностью электрического поля E_m=10⁶ В/м и скоростью поперечных звуковых волн V_зв=3300 м/с. Кроме того, в таблице приведены экспериментально определенные параметры аналогов.

Таблица.
Модель	А, мм	, мрад	F, кГц	Литература
Аналог 1 (ДПД-202)	20	9×3,5	2,5	[3]
Аналог 2	30×51	1	1.5	[4]
Прототип	10	50	10	[5]
Предлагаемая модель	10	50	14	-

Предлагаемая полезная модель превосходит все известные модели (прототип и аналоги) по совокупности параметров. Она позволяет отклонять широкие световые пучки (порядка сантиметра и более) на относительно большие углы (50-100 мрад или 3-6°) и обеспечивает относительно широкую полосу рабочих частот (порядка 10 кГц и более).

Литература

1. Леонов A.M. Пьезокерамический дефлектор света // Оптический журнал. 2010, 10. с.61-64.

2. Широков A.M., Леонов A.M., Шуляк В.В. Оптимизация пьезокерамического дефлектора света // Доклады АН БССР. 1984. 8. с.708-712.

3. Erochovets V., Larchenko Yu., Leonov A. The speed of on X-Y Piezoceramic light deflector // Telecommunication & radio engineering. 1992. 6. p.133-136. SU 1778738, 1992.

4. Тевяшов В.И., Шушарин C.H. Оптические дефлекторы для современных тепло-визионньгх приборов // Оптический журнал. 2007. 1. с.12-16.

5. BY 7637, 2011. (Прототип).

1. Пьезодефлектор света, содержащий ось с отверстием, соединенную с корпусом, на которой установлено зеркало и четыре пьезопривода, консольно закрепленные в корпусе, свободные концы которых соединены с осью с помощью четырех упругих элементов, причем в состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины, между которыми расположена прокладка, соединенная с ними с помощью клея, при этом упругие элементы соединены с концами пьезоприводов и осью цилиндрическими элементами, отличающийся тем, что зеркало расположено в центре оси между двумя парами пьезоприводов, а ось содержит второе отверстие, оба отверстия расположены симметрично друг другу относительно центра оси, и через каждое проходят по два упругих элемента, причем эти элементы параллельны друг другу и плоскости зеркала и перпендикулярны осям пьезоприводов.

2. Пьезодефлектор света по п.1, отличающийся тем, что концы оси выполнены в виде плоских пластин, которые соединены с корпусом, параллельны осям пьезоприводов, перпендикулярны зеркалу и упругим элементам.

3. Пьезодефлектор света по п.1, отличающийся тем, что в качестве цилиндрических элементов использованы штифты.