CN109283654A - 一种一维快速反射镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种一维快速反射镜装置，包括反射镜固定架、反射镜、底座、旋转轴组件和音圈电机，通过所述音圈电机产生的磁力驱动旋转轴进行一定角度范围内的旋转，带动反射镜固定架以及反射镜在一维方向上进行偏转运动，从而精确控制光束偏转角度。该一维快速反射镜装置具有较好的响应时间和带宽。采用动圈式音圈电机具有较大的出力大小和出力效率，通过多个永磁体对一个线圈进行驱动，大大增加了电机的效率。该动圈式音圈电机组成快速反射镜后具有较小的体积和厚度、具有较高的动态特性和响应时间，从而具有较高的带宽，同时不会对反射镜加热。
Description
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，具体涉及一种一维快速反射镜装置。
背景技术
本发明属于光电扫描跟踪技术领域，涉及一种基于柔性支撑的快速反射镜系统中的驱动器，快速反射镜用于实现反射镜的“偏转-倾斜”方位角度的快速调整，可用于光电领域的视轴稳定或扫描补偿等应用。
快速反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的部件，通过采用驱动器精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，由于其具有结构紧凑、响应速度快、工作带宽高、指向精度高等优点，被广泛应用在天文望远镜、自适应光学、像移补偿、自由空间光通信、精密跟踪等领域，成为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件。
快速反射镜的一个重要指标就是工作带宽，而影响该指标的器件是其中的驱动器，必须具有较高的出力和较短的阶跃响应时间。
现有的采用音圈电机作为驱动器的快速反射镜大都采用动圈式设计，即磁缸部分连接在快速反射镜底座上，线圈连接在反射镜镜托上。因一般线圈部分的重量远小于磁缸部分的重量，因此这样设计能够减小反射镜转动部分的转动惯量，从而获得相对较高的工作带宽。现有的采用音圈电机作为驱动器的快速反射镜大部分采用圆柱形音圈电机，这种类型的音圈电机具有相对较高的出力效率，但是缺点是线圈与磁缸之间的间隙较小，从而使快速反射镜的转动范围较小。现有的动磁式音圈电机，出力大小和出力效率不能够满足越来越高的快速反射镜工作带宽的需求，控制效果不如动圈式效果好。
一维快速反射镜是快速反射镜只具有单一方向的偏转运动，一般包括1～2个驱动器，在旋转轴方向上采用组成推拉式对，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。现有技术方案中采用圆柱形音圈电机作为制动器，快速反射镜整体尺寸比较大，工作带宽偏低。对个线圈对应着磁缸内的磁体会加热反射镜，使反射镜产生变形，最终影响光学系统的成像质量。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种一维快速反射镜装置，其包括的动圈式音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应。该快速反射镜装置具有较轻的质量和较简单的结构，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种一维快速反射镜装置，包括反射镜固定架1、反射镜、底座3、旋转轴组件5和音圈电机；
所述反射镜固定架1连接于所述旋转轴组件5上，随旋转轴组件5的转动而摆动；
所述反射镜固定设置于所述反射镜固定架1上方，随所述反射镜固定架1的摆动而摆动；
所述旋转轴组件5包括旋转轴9和旋转轴座2，所述旋转轴座2和所述反射镜固定架1通过所述旋转轴9连接；
所述音圈电机连接所述旋转轴座2和所述底座3。
进一步的，所述反射镜固定架1上设置有定位孔8，通过紧固件与所述反射镜固定连接。
进一步的，所述反射镜固定架1呈T型形状，连接反射镜的上端呈平面，下端设置有旋转轴安装孔。
进一步的，所述旋转轴座2呈框型形状，包括旋转轴座端21和旋转轴连接端22，所述旋转轴连接端22从所述旋转轴座端21相对的两边凸起，并设置有旋转轴安装孔。
进一步的，所述音圈电机包括固定部分和可动部分；
所述固定部分包括磁体组件，所述可动部分包括线圈组件。
进一步的，所述磁体组件包括永磁体固定架4和永磁体10，所述永磁体10固定连接于所述永磁体固定架4上。
进一步的，所述永磁体固定架4包括第一永磁体固定架4a和第二永磁体固定架4b，分别固定连接于所述旋转轴座的下方；在两个永磁体固定架相对的表面上分别对称设置有形状相同的两个永磁体。
进一步的，所述线圈组件7包括线圈7a和线圈架7b，所述线圈组件7固定连接于所述反射镜固定架1下端，且穿过所述旋转轴座2中间的通孔延伸至所述永磁体之间。
进一步的，所述线圈7a固定于所述线圈架7b上，位于所述永磁体10之间；
所述永磁体10包括第一永磁体10a、第二永磁体10b、第三永磁体10c和第四永磁体10d，第一永磁体10a和第二永磁体10b相对设置，第三永磁体10c和第四永磁体10d相对设置；
所述第一永磁体10a和第二永磁体10b相对表面的磁极相反，所述第三永磁体10c和第四永磁体10d相对表面的磁极相反；相邻的所述第一永磁体10a和所述第三永磁体10c的磁极方向相同，相邻的所述第二永磁体10b和所述第四永磁体10d的磁极方向相同。
进一步的，所述底座3包括第一底座3a和第二底座3b，所述第一底座3a和第二底座3b形状相同，均呈阶梯状，设置于所述永磁体固定架4两端；
第一永磁体固定架4a固定连接于所述底座3的凹入处，第二永磁体固定架4b固定连接于所述底座3的凸出处；
所述永磁体10和线圈组件7位于所述第一底座3a和第二底座3b之间。
综上所述，本发明提供了一种一维快速反射镜装置，包括反射镜固定架、反射镜、底座、旋转轴组件和音圈电机，通过所述音圈电机产生的磁力驱动旋转轴进行一定角度范围内的旋转，带动反射镜固定架以及反射镜在一维方向上进行偏转运动，从而精确控制光束偏转角度。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、本发明提供的快速反射镜装置，其中音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；
2、采用动磁式音圈电机用于快速反射镜装置中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。
附图说明
图1是由动圈式音圈电机组成的快速反射镜的结构图；
图2是图1的快速反射镜另一侧的结构图；
图3是图1所示的快速反射镜去除前端磁体固定架及磁体组件的结构图；
图4是图1的快速反射镜的反射镜固定架、旋转轴组件以及线圈固定架的结构图；
图5是磁体组件和线圈组件以及反射镜固定架的相对位置示意图；
图6是线圈组件的结构示意图。
附图标记：
100：快速反射镜装置；1：反射镜固定架；2：旋转轴座；21：旋转轴座端；22：旋转轴连接端；3：底座；4：永磁体固定架；4a：第一永磁体固定架；4b：第二永磁体固定架；5：旋转轴组件；6：安装孔；7：线圈组件；7a：线圈；7b：线圈架；8：定位孔；9：旋转轴；10：永磁体；10a：第一永磁体；10b：第二永磁体；10c：第三永磁体；10d：第四永磁体；11：电流方向；12：磁力方向；13：线圈中间部分。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供了一种一维快速反射镜装置100，如图1-5所示，包括反射镜固定架1、反射镜(图中未示)、底座3、旋转轴组件5和音圈电机。
反射镜固定架1呈T型形状，连接反射镜的上端呈平面，下端设置有旋转轴安装孔。反射镜固定架1的上端两侧分别设置有定位孔8，通过紧固件与反射镜固定连接。反射镜可以由诸如碳纤维增强聚合物的材料设计制成，以防止会干扰与快速阶跃响应一致的高带宽控制系统的共振模式。反射镜固定架1通过下端的旋转轴安装孔连接于旋转轴组件5上，随旋转轴组件5的转动而摆动。
旋转轴组件5包括旋转轴9和旋转轴座2。旋转轴组件5位于反射镜的中心处或附近，或者位于底座3的中心处或附近，并且定位在反射镜和底座3之间。旋转轴组件5包括轴承(或轴承组)，只允许反射镜围绕一个轴旋转，不同的旋转轴组件5可以用在不同的实施例中。如图1所示，旋转轴座2呈框型形状，包括旋转轴座端21和旋转轴连接端22，旋转轴连接端22从旋转轴座端21相对的两边凸起，并设置有旋转轴安装孔。旋转轴座2和反射镜固定架1的旋转轴安装孔贯穿设置有旋转轴9，通过旋转轴9将反射镜固定架1可旋转地连接到旋转轴座2上。反射镜固定架1下端是有限旋转角度的轴承，适用于有限角度范围的往复运动。该下端通过胶结的方式与线圈组件固定，上端与反射镜相连，通过力带动反射镜围绕旋转轴9旋转，使角度发生偏移。
音圈电机通过旋转轴座2连接到组件底座3，音圈电机包括固定部分和可动部分；固定部分包括磁体组件，可动部分包括线圈组件。
磁体组件包括永磁体固定架4和永磁体10，永磁体10固定连接于永磁体固定架4上。具体的，永磁体固定架4包括第一永磁体固定架4a和第二永磁体固定架4b，分别固定连接于旋转轴座的下方；在两个永磁体固定架相对的表面上分别对称设置有形状相同的两个永磁体，如图3所示。
线圈组件7包括线圈7a和线圈架7b，如图6所示，线圈组件7固定连接于反射镜固定架1下端，且穿过旋转轴座2中间的通孔延伸至永磁体之间，位于底座3两端对称的磁体固定架的凹槽内。具体的，线圈7a固定于线圈架7b上，位于永磁体10之间。优选的，线圈7是可以弯曲的或成角度的，如圆形或矩形，使得线圈的曲线或角度通常遵循反射镜运动的半径。
在这样的实施例中，快速反射镜运动可以由旋转轴组件5约束，通过以相反的电流驱动相对的音圈电机来实现反射镜倾斜，使得一个磁体组件通过引力拉动而另一个磁体组件通过斥力推动快速反射镜。
如图5所示，永磁体10包括第一永磁体10a、第二永磁体10b、第三永磁体10c和第四永磁体10d，按逆时针顺序排布。四个永磁体分别对称地分布在永磁体固定架4的内面。第一永磁体10a和第二永磁体10b相对设置，第三永磁体10c和第四永磁体10d相对设置；第一永磁体10a和第二永磁体10b相对表面的磁极相反，第三永磁体10c和第四永磁体10d相对表面的磁极相反；相邻的第一永磁体10a和第三永磁体10c的磁极方向相同，相邻的第二永磁体10b和第四永磁体10d的磁极方向相同。具体的，永磁体10a、10b、10c、10d具有一致的几何形状并且围绕反射镜固定架4对称，以平衡或抵消反射镜固定架4上的水平力。第二永磁体10b的北极靠近线圈中间部分13并且其南极靠近第一永磁体固定架4a向外，使得其磁矩方向朝向纸平面外部定向；第三永磁体10c的北极靠近线圈中间部分13并且其南极靠近第一永磁体固定架4a向外，使得其磁矩方向朝向纸平面外部定向；第一永磁体10a的北极靠近第二永磁体固定架4b向外并且其南极靠近线圈中间部分13，使得其磁矩方向朝向纸平面内部定向；第四永磁体10d的北极靠近第二永磁体固定架4b向外并且其南极靠近线圈中间部分13，使得其磁矩方向朝向纸平面内部定向。反射镜固定架4上的四个永磁体10a、10b、10c、10d的这种配置产生了的向下方向的转子芯磁矩。给线圈通入电流方向11(如图5所示)的电流，线圈组件就会产生想做偏摆的力方向12的磁力。同理地，给线圈通入相反的电流，就会使反射镜组件偏转相反的角度。
在一个实施例中，每个永磁体10可以分解为四个小的永磁体，一共通过16个永磁体会获得更大的出力。
进一步的，底座3包括第一底座3a和第二底座3b，第一底座3a和第二底座3b形状相同，均呈阶梯状，设置于永磁体固定架4两端；第一永磁体固定架4a固定连接于底座3的凹入处，第二永磁体固定架4b固定连接于底座3的凸出处，即一个磁体固定架相对于底座3是凸出的，而另一个磁体固定架相对于底座3是凹入的。永磁体10和线圈组件7位于第一底座3a和第二底座3b之间。底座3的材料为铝，可以是其他金属、塑料、陶瓷或本领域中使用的任何其他材料。
快速反射镜可以进一步包括传感器(未示出)以确定反射镜的位移或角度，并且控制回路可以由控制器或处理器实现，以响应于来自传感器的信号校正和调节反射镜的位置。在各种实施例中可以使用各种类型的固定装置，例如螺栓、螺钉、销、粘合剂等，以互连反射镜组件的各种部件。
综上所述，本发明提供了一种一维快速反射镜装置，包括反射镜固定架、反射镜、底座、旋转轴组件和音圈电机，通过所述音圈电机产生的磁力驱动旋转轴进行一定角度范围内的旋转，带动反射镜固定架以及反射镜在一维方向上进行偏转运动，从而精确控制光束偏转角度。该发明的优势是具有较好的响应时间和带宽。采用动圈式具有如下特点：一是有较大的出力大小和出力效率，通过4个或者对称的16个永磁体来对一个线圈进行驱动，大大增加了电机的效率；二是该动圈式组成快速反射镜后具有较小的体积和厚度；具有较高的动态特性和响应时间，从而具有较高的带宽，同时不会对反射镜加热。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种一维快速反射镜装置，其特征在于，包括反射镜固定架(1)、反射镜、底座(3)、旋转轴组件(5)和音圈电机；
所述反射镜固定架(1)连接于所述旋转轴组件(5)上，随旋转轴组件(5)的转动而摆动；
所述反射镜固定设置于所述反射镜固定架(1)上方，随所述反射镜固定架(1)的摆动而摆动；
所述旋转轴组件(5)包括旋转轴(9)和旋转轴座(2)，所述旋转轴座(2)和所述反射镜固定架(1)通过所述旋转轴(9)连接；
所述音圈电机(110)连接所述旋转轴座(2)和所述底座(3)。
2.根据权利要求1所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述反射镜固定架(1)上设置有定位孔(8)，通过紧固件与所述反射镜固定连接。
3.根据权利要求2所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述反射镜固定架(1)呈T型形状，连接反射镜的上端呈平面，下端设置有旋转轴安装孔。
4.根据权利要求1所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述旋转轴座(2)呈框型形状，包括旋转轴座端(21)和旋转轴连接端(22)，所述旋转轴连接端(22)从所述旋转轴座端(21)相对的两边凸起，并设置有旋转轴安装孔。
5.根据权利要求1所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述音圈电机包括固定部分和可动部分；
所述固定部分包括磁体组件，所述可动部分包括线圈组件。
6.根据权利要求5所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述磁体组件包括永磁体固定架(4)和永磁体(10)，所述永磁体(10)固定连接于所述永磁体固定架(4)上。
7.根据权利要求6所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述永磁体固定架(4)包括第一永磁体固定架(4a)和第二永磁体固定架(4b)，分别固定连接于所述旋转轴座的下方；在两个永磁体固定架相对的表面上分别对称设置有形状相同的两个永磁体。
8.根据权利要求7所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述线圈组件(7)包括线圈(7a)和线圈架(7b)，所述线圈组件(7)固定连接于所述反射镜固定架(1)下端，且穿过所述旋转轴座(2)中间的通孔延伸至所述永磁体之间。
9.根据权利要求8所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述线圈(7a)固定于所述线圈架(7b)上，位于所述永磁体(10)之间；
所述永磁体(10)包括第一永磁体(10a)、第二永磁体(10b)、第三永磁体(10c)和第四永磁体(10d)，第一永磁体(10a)和第二永磁体(10b)相对设置，第三永磁体(10c)和第四永磁体(10d)相对设置；
所述第一永磁体(10a)和第二永磁体(10b)相对表面的磁极相反，所述第三永磁体(10c)和第四永磁体(10d)相对表面的磁极相反；相邻的所述第一永磁体(10a)和所述第三永磁体(10c)的磁极方向相同，相邻的所述第二永磁体(10b)和所述第四永磁体(10d)的磁极方向相同。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一维快速反射镜装置，其特征在于，所述底座(3)包括第一底座(3a)和第二底座(3b)，所述第一底座(3a)和第二底座(3b)形状相同，均呈阶梯状，设置于所述永磁体固定架(4)两端；
第一永磁体固定架(4a)固定连接于所述底座(3)的凹入处，第二永磁体固定架(4b)固定连接于所述底座(3)的凸出处；
所述永磁体(10)和线圈组件(7)位于所述第一底座(3a)和第二底座(3b)之间。
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