Двухкоординатный оптический дефлектор
Владельцы патента RU 2338231:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод" имени Э.С. Яламова (RU)
Изобретение относится к системам сканирования и может быть использовано в оптико-механических устройствах для управления оптическим лучом. Технический результат изобретения заключается в обеспечении устройства стабильными рабочими характеристиками, на которые не влияют вибрации и температурные колебания. Двухкоординатный оптический дефлектор содержит зеркало, установленное с возможностью поворота, а также два пьезопреобразователя и два упругих элемента, закрепленных на неподвижном основании. Каждый из пьезопреобразователей связан с зеркалом через соответствующий толкатель, причем каждый из толкателей выполнен в виде рычага, установленного параллельно зеркалу и закрепленного шарнирно и консольно на неподвижном основании так, что он сопряжен с торцом соответствующего пьезопреобразователя. Свободный конец одного рычага контактирует с периферийной зоной зеркала в точке, лежащей на оси поворота рамки карданова подвеса, а свободный конец другого рычага контактирует с рамкой карданова подвеса, в котором установлено зеркало, кроме того, один упругий элемент связан с зеркалом, а другой - с рамкой карданова подвеса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к системам сканирования, и может быть использовано в средствах оптической локации, а более конкретно в оптико-механических устройствах для управления оптическим лучом.
Широко известны устройства сканирования или отклонения оптических лучей, описанные в патенте US №6956683, G02В 26/08, опубл. 18.10.05, заявке РСТ №85/05464, G02В 26/10 опубл. 05.12.85, а.с. SU №1425577, G02В 26/10 опубл. 23.09.88, патенте RU №2258947, G02В 26/10, опубл. 20.08.05, заявке RU №2005117666, G02В 26/10 опубл. 20.12.06, содержащие зеркало с оправой, установленное на основании с помощью упругого элемента, и пьезокерамические приводы, выполненные в виде биморфных элементов.
Основным недостатком этих устройств является возможность разворота зеркала только вокруг одной оси вращения.
Известны двухкоординатные оптические дефлекторы (см. Патент GB №1559085, G02В 26/10, опубл. 09.08.75, a.c. SU №1674047, G02В 26/10 опубл. 30.08.91, a.c. SU №1569787, G02В 26/10, опубл. 07.06.90), содержащее зеркало с оправой и магнитоэлектрический привод.
Устройства такого типа имеют значительные габаритно-массовые характеристики, что обусловлено конструкцией магнитоэлектрического узла, используемого в двухкоординатном оптическом дефлекторе, и низкое быстродействие из-за малого момента электромагнитного привода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухкоординатный оптический дефлектор, описанный в а.с. SU №1493973, G02В 26/10, опубл. 15.07.89. Указанное устройство содержит корпус (неподвижное основание), зеркало, установленное на шарнире опоры, две стопы биморфных пьезоэлементов (пьезопреобразователей), пластины которых закреплены в шарнирах и соединены между собой и зеркалом посредством толкателей, и два упругих элемента, выполненных в виде пружин. Стопы биморфных пьезоэлементов расположены параллельно по обе стороны от опоры, образуя между точками контакта толкателей с зеркалом и шарниром угол 90°, наиболее удаленные от зеркала пластины и два упругих элемента закреплены в корпусе.
К недостаткам пртотипа следует отнести восприимчивость устройства к вибрациям и внешним температурным воздействиям вследствие использования биморфных пьезоэлементов, а также низкую надежность конструкции из-за выполнения пьезопреобразователя в виде набора из многих пьезоэлементов с целью обеспечения разворота зеркала вокруг каждой из двух осей.
Задачей изобретения является создание оптического дефлектора с широкими функциональными возможностями, обеспечивающего двухкоординатное управление лучом и высокие технические характеристики в условиях воздействия внешних вибраций и перепадов температур.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества процесса сканирования, обеспечиваемого стабильностью рабочих характеристик оптического дефлектора.
Указанный результат заявляемого технического решения достигается тем, что в известном двухкоординатном оптическом дефлекторе, содержащем зеркало, установленное с возможностью поворота, а также два пьезопреобразователя и два упругих элемента, закрепленных на неподвижном основании, согласно изобретению каждый из пьезопреобразователей связан с зеркалом через соответствующий толкатель, каждый из которых выполнен в виде рычага, установленного параллельно зеркалу и закрепленного шарнирно и консольно на неподвижном основании так, что он сопряжен с торцом соответствующего пьезопреобразователя, причем свободный конец одного рычага контактирует с периферийной зоной зеркала в точке, лежащей на оси поворота рамки карданова подвеса, а свободный конец другого рычага контактирует с рамкой карданова подвеса, в котором установлено зеркало, кроме того, один упругий элемент связан с зеркалом, другой - с рамкой карданова подвеса. Каждый из пьезопреобразователей выполнен в виде керамического линейного актюатора.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым результатом заключается в том, что имеет место:
- малая погрешность пьезопреобразователей, представляющих пьезокерамические линейные актюаторы,
- выполнение толкателей в виде рычагов, точность изготовления и сборка которых не оказывают влияния на погрешность разворота зеркала,
- форма, установка и взаимосвязь элементов, осуществляющих поворот зеркала, обеспечивают создание условий его устойчивого равновесия.
Благодаря совокупности указанных существенных признаков устройства достигается стабильность рабочих характеристик сканирования, синхронность функционирования каналов, надежный возврат зеркала в исходное положение и его устойчивое позиционирование.
Изложенная сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена схема двухкоординатного оптического дефлектора,
на фиг.2 дана фронтальная проекция, разрез,
на фиг.3 изображен вид сбоку, разрез.
Двухкоординатный оптический дефлектор содержит зеркало 1 в оправе 2, размещенное в кардановом подвесе 3 с возможностью разворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, упругие элементы 4 и 4' жестко установлены на базовом (неподвижном) основании 5, два пьезопреобразователя 6, 6', выполненные в виде керамических линейных актюаторов (многослойных элементов), и два рычага 7, 7', закрепленных шарнирно и консольно на основании 5. Рычаги 7, 7' установлены параллельно зеркалу 1 так, что каждый из них сопряжен с торцом соответствующего пьезопреобразователя 6, 6' на расстоянии, максимально приближенном к оси шарнира рычагов 7, 7'. Свободный конец одного из рычагов, например 7, контактирует с периферийной зоной основания 2 зеркала 1, а свободный конец рычага 7' контактирует с рамкой карданова подвеса 3. Упругие элементы 4, 4', в качестве которых используются пружины, работающие на сжатие и прижимающие к пьезопреобразователям 6, 6' через рычаги 7, 7', соответственно, основание зеркала 2 и рамку карданова подвеса 3.
Устройство работает следующим образом.
При подаче управляющего напряжения, например, на пьезокерамический актюатор 6 он удлиняется (т.к. происходит его расширение) и торцом давит в месте их сопряжения на пластину рычага 7, которая, преодолевая усилие пружины 4, через рычаг (шарнирно-рычажный механизм 7, обладающий определенным передаточным отношением) передает усилие зеркалу 1, которое поворачивается вокруг оси X. При снятии напряжения перемещение пьезопреобразователя 6 происходит в противоположную сторону (т.к. происходит его сжатие), и поворот зеркала 1 происходит за счет пружины 4. Отклонение зеркала 1 вызывает соответствующее отклонение направленного на него светового луча. Перемещения зеркала 1 по другой координате Y осуществляются аналогично описанному за счет взаимодействия пьезопреобразователя 6' с рычагом 7'. В результате элементы устройства, работающие независимо и синхронно, поворачивают зеркало 1 вокруг осей Х и Y на заданные углы сканирования.
При реализация изобретения отражающая поверхность зеркала 1 может быть выполнена из стекла, а его несущее основание - из композиционного материала с углеродосодержащей матрицей и углеродным наполнителем. Карданов подвес 3 изготавливается из стали по стандартной технологии и на стандартном оборудовании, шарнирно-рычажной механизм - из стали, а в качестве пьезокерамического линейного актюатора используют покупной элемент АПМ-1.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать надежный оптико-механический прибор со стабильными характеристиками, на которые не влияют ни вибрации, ни температурные изменения, а его конструктивное исполнение обеспечивает его функционирование в обзорно-следящих системах.
1. Двухкоординатный оптический дефлектор, содержащий зеркало, установленное с возможностью поворота, а также два пьезопреобразователя и два упругих элемента, закрепленных на неподвижном основании, при этом каждый из пьезопреобразователей связан с зеркалом через соответствующий толкатель, отличающийся тем, что каждый из толкателей выполнен в виде рычага, установленного параллельно зеркалу и закрепленного шарнирно и консольно на неподвижном основании так, что он сопряжен с торцом соответствующего пьезопреобразователя, причем свободный конец одного рычага контактирует с периферийной зоной зеркала в точке, лежащей на оси поворота рамки карданова подвеса, а свободный конец другого рычага контактирует с рамкой карданова подвеса, в котором установлено зеркало, кроме того, один упругий элемент связан с зеркалом, а другой - с рамкой карданова подвеса.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из пьезопреобразователей выполнен в виде керамического линейного актюатора.
