Оптический дефлектор

Использование: относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использован в устройствах с оптико-механическим сканированием изображения для осуществления, например, чересстрочной развертки. Цель: повышение частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора. Сущность полезной модели: в оптическом дефлекторе, содержащем зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой. Положительный эффект: повышение чувствительности и виброустойчивости.

Предлагаемая полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована в устройствах с оптико-механическим сканированием изображения для осуществления, например, чересстрочной развертки.

Известны устройства сканирования или отклонения оптических лучей (а.с.СССР №1108381, G 02 В 27/17, опубл. 15.08.1984 г.; а.с.СССР №1485188, G 02 В 26/10, опубл. 07.06.1989 г.; а.с.СССР 1405015, G 02 В 26/10, опубл. 23.06.1988 г.), содержащие пьезокерамические приводы, выполненные в виде биморфных элементов.

Основным недостатком этих устройств является снижение их чувствительности за счет нагружения пьезопривода датчиками обратной связи системы управления (а.с.1108381) или вторым пьезокерамическим элементом (а.с.1485188, а.с.1405015).

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является оптический дефлектор, описанный в «Устройстве развертки фокальной плоскости» (заявка РСТ №85/05464, G 02 В 26/10, опубл. 05.12.1985 г.).

Оптический дефлектор содержит зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, два пьезокерамических биморфных элемента, расположенных параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленных на основании в противоположных направлениях, при этом их свободные концы связаны с соответствующими периферийными зонами зеркала с помощью других упругих подвесов, а ось качания зеркала проходит через его центр и первый упругий подвес.

В этом дефлекторе второй пьезокерамический элемент движется в противоположном первому направлении и используется как датчик системы управления.

Недостатком данного устройства является большое количество упругих подвесов, способных к изгибу в разных плоскостях и приводящих к снижению его виброустойчивости. Кроме того, как и в упомянутых выше устройствах, второй пьезокерамический элемент увеличивает нагрузку на рабочий элемент, снижая чувствительность пьезокерамического привода.

Основной задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является повышение его чувствительности и виброустойчивости путем повышения частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора.

Решение указанной задачи достигается тем, что в оптическом дефлекторе, содержащем зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой.

На фиг.1 представлена фронтальная проекция оптического дефлектора, на фиг.2 продольный разрез по оси симметрии биморфного элемента.

Оптический дефлектор содержит зеркало 1 с оправой 2, установленное на основании 3 с возможностью качания на упругом подвесе 4, пьезокерамический биморфный элемент 5, с выводами 6, расположенный параллельно плоскости зеркала 1 и консольно закрепленный на основании 3, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента 5 связан с периферийной зоной зеркала 1, упругий подвес 4 выполнен в виде двух пар плоских пружин 7, расположенных с противоположных сторон зеркала 1 симметрично

относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента 5, плоские пружины 7 в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания 0-0₁ зеркала 1 под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин 7 совпадает с осью качания 0-0 ₁ и проходит через центр масс зеркала 1 с оправой 2.

Оптический дефлектор работает следующим образом. На выводы 6 пьезокерамического биморфного элемента 5 подается знакопеременное управляющее напряжение, которое вызывает за счет обратного пьезоэффекта изгибы его свободного конца, связанного через оправу 2 с периферийной зоной зеркала 1 и, соответственно, изменение углового положения зеркала 1 с частотой изменения полярности управляющего напряжения, что, в свою очередь, приводит к периодическому изменению угла отражения пучка лучей, падающих на зеркало 1.

При периодическом изменении полярности управляющего напряжения на выводах 6 пьезокерамического биморфного элемента 5 происходит резкое торможение подвижной системы оптического дефлектора (зеркало 1, оправа 2, пьезокерамический биморфный элемент 5) в узловых точках кривой гистерезиса пьезокерамики, определяемых величиной управляющего напряжения (амплитудным значением). Этот процесс приводит к появлению собственных высокочастотных колебаний подвижной системы (как в любой системе, имеющей упругие элементы).

Кроме того, могут возникать колебания, обусловленные, например, установкой устройства, имеющего в своем составе описываемый оптический дефлектор, на вибрирующее основание (летательный аппарат, корабль и т.п.).

Выполнение упругого подвеса в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, а также установка плоских пружин в каждой паре симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, позволило вынести ось качания зеркала 1 в центр его массы, что привело к увеличению частоты собственных

колебаний подвижной части дефлектора (из-за отсутствия неуравновешенных масс, поскольку основной вклад в эту характеристику вносит момент инерции зеркала с оправой), что позволило повысить чувствительность и виброустойчивость дефлектора.

Кроме того, сама конструкция подвеса в виде двух пар плоских пружин, образующих с основанием 3 треугольную фигуру с углом 90°±10° при его вершине, является устойчивой к возмущающим колебаниям.

Указанный выше угол, образованный при пересечении плоскостей установки плоских пружин, выбран равным 90°±10°, ограничение допускаемых его отклонений оптимизировано с целью сохранения высокой частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора. Для оптимизации использован метод конечно-элементного анализа.

Основным критерием выбора допусков, ограничивающих угол между плоскостями установки плоских пружин в пределах от 80° до 100°, являлось изменение частоты собственных колебаний дефлектора не более чем на 10%.

Оптический дефлектор, содержащий зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, отличающийся тем, что упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой.