оптико-механический дефлектор

Формула изобретения

Оптико-механический дефлектор, состоящий из блока управления и модулятора, включающего в себя два электромагнита, два постоянных магнита и ротор с закрепленным на нем плоским зеркалом, установленный параллельно плоскости витков обмоток управления электромагнитов с возможностью вращательно-колебательного движения, причем ось вращения плоского зеркала совпадает с его плоскостью и с осью вращения ротора, а также упругий элемент с функцией возврата ротора в положение равновесия, отличающийся тем, что ось вращения ротора совпадает с его центральной продольной осью, выполнен ротор в виде цилиндра с отсеченными в средней части параллельно его центральной продольной оси и симметрично относительно нее сегментами так, что ширина оставшейся части ротора в три раза больше его толщины, а также с высверленной полостью по указанной оси диаметром не больше половины толщины ротора в средней его части, в качестве упругого элемента используется вставленный в осевую полость ротора, закрепленный одним концом к ротору, а другим к неподвижному наконечнику торсион, диаметр которого относится к толщине и к длине ротора в средней его части как 1: 3: 60, а постоянные магниты удерживают ротор при обесточенных обмотках управления в устойчивом нейтральном положении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике и может использоваться во всех областях, где требуется управление оптическим лучом в пространстве.

Известно устройство сканирования оптического луча, используемое, например, при считывании штрихового кода, в котором повороты зеркала, закрепленного на упругом торсионе, происходят с помощью электромагнита (см. патент США 5206492, опубл. 27.04.93). Сила упругости, возникающая при скручивании торсиона, возвращает зеркало в положение равновесия. Недостатком этого устройства является ограниченность угла поворота зеркала.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым за прототип является резонансный двухкоординатный оптико-механический электромагнитный дефлектор с колеблющимся зеркалом (дипломный проект "Разработка оптико-механического дефлектора и схемы управления", Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет (ЛЭТИ), защита 30.01.2001 г.). Управление колебаниями зеркала и направленного на него лазерного луча обеспечивается изменением тока в обмотке электромагнитов, вызывающего повороты ротора с закрепленным на нем плоским зеркалом. Плечи ротора снабжены постоянными магнитами, расположенными напротив сердечников электромагнитов, а ось вращения зеркала совпадает с его плоскостью и осью вращения ротора. Эта ось проходит поперек ротора через его центр. При обесточенной обмотке ротор удерживается в определенном положении при помощи пружин с их начальным преднапряжением (растяжением). Это в процессе эксплуатации приводит к остаточной деформации пружин, изменению их номинальных характеристик и необходимости периодической юстировки дефлектора. Кроме того, возвращающие пружины оттягивают ротор с зеркалом в одну сторону в направлении, перпендикулярном оси поворота, и создают постоянную одностороннюю нагрузку на подшипники, что вызывает их срабатывание. Таким образом, недостатками прототипа являются невысокие надежность и долговечность, трудоемкость при техническом обслуживании и ремонте, а также из-за ограниченности свободного хода плеч ротора относительно небольшие углы поворота зеркала и по причине малой жесткости пружин и высокой индуктивности катушек электромагнитов низкая частота сканирования оптического луча.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение ресурса работы узлов и всего устройства в целом, надежности его работы, улучшение технических характеристик - уменьшение габаритов, увеличение частоты сканирования и угла отклонения лазерного луча.

Данная задача при реализации предлагаемого изобретения решается за счет достижения технического результата, заключающегося в обеспечении равномерности коаксиального распределения нагрузки на подшипники, исключении усталости и остаточной деформации упругих элементов. Этот технический результат достигается тем, что в оптико-механическом дефлекторе, состоящем из блока управления и модулятора, включающего в себя электромагниты, постоянные магниты, установленный параллельно плоскостям витков обмотки электромагнитов ротор с закрепленным на его оси плоским зеркалом, а также упругий элемент с функцией возврата ротора в положение равновесия, ротор выполнен в виде цилиндра с отсеченными в средней части параллельно образующей и симметрично относительно центральной продольной оси сегментами так, что ширина этой части стержня в три раза больше ее толщины, а также полым по указанной оси. В эту полость, диаметр которой не превышает половину толщины средней части ротора, вставлен закрепленный одним концом к ротору, а другим к неподвижному наконечнику упругий торсион, диаметр которого относится к толщине и длине ротора как 1:3: 60. Магнитное поле постоянных полосовых магнитов удерживает ротор при обесточенной обмотке узкими сторонами, ориентированными в сторону магнитов. Концы ротора заключены в подшипники, которые как и неподвижный наконечник установлены в отверстии, просверленном в предварительно залитой компаундом внутренности корпуса модулятора. Помещение упругого элемента внутри ротора и коаксиальное размещение элементов модулятора обеспечивают равномерность распределения нагрузок на подшипники и минимизацию рабочих зазоров в нем.

Сущность изобретения отражена на фигурах, где на фиг.1 представлен схематический вид дефлектора лазерного луча с основными элементами системы поворота зеркала по одной координате. Фиг.2 иллюстрирует вид этих и других, не показанных на фиг.1, элементов, входящих в систему поворота зеркала, а также направления магнитных полей, созданных постоянными магнитами и обмоткой с током.

Дефлектор лазерного луча (фиг.1) состоит из модулятора 1, на роторе 2 которого закреплено зеркало 3. Модулятор 1 заключен в корпус 4. Колебание ротора 2 с зеркалом 3 возможно вокруг оси вращения 5. Обмотки управления 6 на магнитопроводящих сердечниках 7 электрически соединены проводами 8 с блоком управления 9. По оси вращения 5 внутри ротора 2 просверлено отверстие 10, в которое вставлен упругий торсион 11, закрепленный одним концом к неподвижному наконечнику 12, а другим к ротору 2. Ротор 2 имеет форму цилиндра с отсеченными параллельно образующей сегментами и при обесточенных обмотках 6 удерживается в устойчивом нейтральном положении постоянными полосовыми магнитами 13 (фиг.2), которые вставлены в пазы на внутренних противоположных боковых гранях корпуса 4. Обмотки 6 расположены по двум другим противоположным граням корпусов 4, а плоскости витков обмоток 6 параллельны оси вращения 5 ротора 2, причем витки обмоток 6 намотаны так, что направление тока в них одинаково как с одной стороны ротора 2, так и с другой. Для возможности поворота концы ротора 2 закреплены на подшипниках 14, которые так же, как и наконечник 12, установлены в отверстии 15, просверленном в предварительно залитом, например, эпоксидной смолой внутреннем пространстве корпуса 4 с обмотками 6 и магнитами 13. Наконечник 12 закреплен в отверстии 15 винтом 16 и, таким образом, торсион 11 зафиксирован в соответствии с нейтральным положением ротора 2 при обесточенных обмотках 6. Суженное по отношению к отверстию 10 отверстие 17 внутри ротора сделано для скрепления (запайки) с ним торсиона 11 и его центрирования по оси 5. Диаметр отверстия 17 определен из соображений возможности сверления самого тонкого его размера, а диаметр отверстия 10, например, в 1.33 раз больше. Диаметр торсиона 11 при этом должен быть немного меньше. Магнитопроводы 7 изготовлены из полосового железа и образуют четыре зубца, которые находятся в непосредственной близости от ротора 2 по длине его плоской части.

Устройство работает следующим образом. Электрический ток, протекающий по виткам обмоток 6, создает вокруг катушек магнитное поле, сконцентрированное вместе с магнитным полем постоянных магнитов 13 магнитопроводами 7 вокруг ротора 2. На фиг.2 показано направление магнитной индукции при определенном направлении тока в обмотках 6, и видно, что в нижней левой и правой верхней частях магнитные поля постоянных магнитов и обмоток 6 складываются, а в правой нижней и левой верхней вычитаются. В этом случае ротор 2 будет повернут по часовой стрелке. При прохождении переменного тока через витки обмоток 6, частота и амплитуда которого задаются блоком управления 9 в зависимости от требуемой траектории отраженного от зеркала 3 лазерного луча, возникающее вокруг обмоток 6 переменное магнитное поле вместе с постоянным магнитным полем магнитов 13 приводит ротор 2 во вращательно-колебательное движение. При этом роль силы, пропорциональной величине угла поворота ротора 2 и возвращающей его в первоначальное положение, играет сила упругости, возникающая при скручивании торсиона 11. Вместе с ротором 2 колеблется закрепленное на оси последнего зеркало 3, а отраженный от него луч лазера совершает колебательное движение, описывая траекторию, заданную блоком управления 9. Отсутствие в предлагаемом устройстве каких-либо элементов с поступательным движением и размещение торсиона 11 внутри ротора 2 позволяют максимально уменьшить габариты устройства, делают его удобным в эксплуатации и обеспечивают высокий ресурс работы при неизменном значении параметров.

Ограниченность угла отклонения зеркал в прототипе связана с габаритом модулятора, увеличение которого, в свою очередь, кроме практических трудностей, влечет за собой повышение числа витков в обмотке и, соответственно, увеличение индуктивности катушки с обмоткой, что ограничивает частоту сканирования. Предлагаемое устройство свободно от таких взаимно ограничивающих факторов. При его работе угол пространственной развертки луча ограничен только прочностными характеристиками торсиона и может достигать 30^o (против 12^o при тех же размерах в прототипе), а частота сканирования луча увеличивается в три раза. Корпус целесообразно изготавливать из немагнитного материала, например, Д16. Сердечник собирается из пластин, изготовленных из стали 0,35-Н-1-Т-1512 ГОСТ 21427.3-75. Намотка производится рядовым способом. Достаточно 185 витков. В качестве торсиона можно использовать проволоку 50ХФА-Н-ХН 0,5 или 40 КНММВТЮ. Постоянные магниты изготовлены из сплава неодим-железо-бор. Для изготовления ротора целесообразно использовать сталь У8А. Марка подшипников - 5-840 154 Ю4Т ТУ4479-79.