CN109343195A - 一种二维动磁式快速反射镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种二维动磁式快速反射镜装置，包括固定部分和可动部分，固定部分包括线圈组件和基座，可动部分包括磁体组件和反射镜；线圈组件固定设置在基座上；磁体组件固定设置在反射镜与基座相对的一面上；基座上固定设置有支撑轴，用于支撑反射镜；反射镜在线圈组件和磁体组件的作用力下作二维运动。该快速反射镜装置中包括线圈组件和磁体组件的音圈电机采用线圈固定、磁体可动的结构，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；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。
Description
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，具体涉及一种二维动磁式快速反射镜装置。
背景技术
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，通过采用音圈电机精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，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。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音圈电机，必须具有较高的出力和较短的阶跃响应时间。传统的快速反射镜，一般包括四个音圈电机。在每个旋转轴方向上采用两个音圈电机组成推拉式对，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。
现有的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基座上，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。但带来个两个问题，一是电缆的拖拽问题，长时间的运动容易造成电缆的断裂；二是线圈工作时会产生较多的热量，热量会传导到反射镜上，引起反射镜的热变形，从而降低反射镜的平面度等指标，从而降低快速反射镜的整体性能。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。而且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。
发明内容
(一)发明目的
为解决上述问题，本发明提供了一种二维动磁式快速反射镜装置，其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。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种二维动磁式快速反射镜装置，包括固定部分和可动部分，所述固定部分包括线圈组件106和基座102，所述可动部分包括磁体组件105和反射镜101；
所述线圈组件106固定设置在基座102上；
所述磁体组件105固定设置在所述反射镜101与所述基座102相对的一面上；
所述基座102上固定设置有支撑轴108，用于支撑所述反射镜101；
所述反射镜101在所述线圈组件106和磁体组件105的作用力下作二维运动。
进一步的，所述线圈组件106包括四个线圈组件106A、106B、106C、106D，第一线圈组件106A包括第一线圈103A及第一线圈103A内部的第一定子芯104A，第二线圈组件106B包括第二线圈103B及第二线圈103B内部的第二定子芯104B，第三线圈组件106C包括第三线圈103C及第三线圈103C内部的第三定子芯104C，第四线圈组件106D包括第四线圈103D及第四线圈103D内部的第四定子芯104D；
所述第一线圈103A、第二线圈103B、第三线圈103C和第四线圈103D按逆时针顺序分别固定嵌入所述基座102的四个凹槽120A、120B、120C、120D。
进一步的，各个所述线圈和定子芯具有相同的形状，对称地设置在所述基座102上。
进一步的，所述磁体组件105包括第一磁体105A、第二磁体105B、第三磁体105C和第四磁体105D，所述磁体组件105按逆时针顺序固定设置于所述反射镜101的下表面，且位于所述四个线圈103A、103B、103C、103D的间隔处。
进一步的，所述四个磁体105A、105B、105C、105D为相同形状的梯形，对称地固定设置于所述反射镜101的下表面，相邻两磁体的腰所在的表面相对。
进一步的，所述磁体105A、105B、105C、105D的腰所在的表面与相邻的线圈103A、103B、103C、103D绕定子芯的端面相对。
进一步的，所述第一磁体105A与所述第二磁体105B相对设置的腰表面同为北极；所述第三磁体105C与所述第四磁体105D相对设置的腰表面同为南极；所述第二磁体105B为南极的另一腰表面与所述第三磁体105C为北极的另一腰表面相对；所述第四磁体105D为北极的另一腰表面与所述第一磁体105A为南极的另一腰表面相对。
进一步的，所述第一线圈103A位于所述第一磁体105A和第二磁体105B之间，所述第二线圈103B位于所述第二磁体105B和第三磁体105C之间，所述第三线圈103C位于所述第三磁体105C和第四磁体105D之间，所述第四线圈103D位于所述第四磁体105D和第一磁体105A之间。
进一步的，还包括传感器和控制器，所述传感器采集反射镜101的位移或角度，控制器响应来自传感器的信号校正以及调节反射镜101的位置。
综上所述，本发明提供了一种二维动磁式快速反射镜装置，包括固定部分和可动部分，固定部分包括线圈组件和基座，可动部分包括磁体组件和反射镜；线圈组件固定设置在基座上；磁体组件固定设置在反射镜与基座相对的一面上；基座上固定设置有支撑轴，用于支撑反射镜；反射镜在线圈组件和磁体组件的作用力下作二维运动。
(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，其中包括线圈组件和磁体组件的音圈电机采用线圈固定、磁体可动的结构，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是是本发明的二维动磁式快速反射镜100的立体图；
图2是本发明去除基座的二维动磁式快速反射镜的立体图；
图3是图2中的立体图去除支撑轴的俯视图；
图4是图1中的基座的结构示意图；
图5是图4的基座的俯视图。
附图标记：
100：快速反射镜；101：反射镜；102：基座；103A：第一线圈；103B：第二线圈；103C：第三线圈；103D：第四线圈；104A：第一定子芯；104B：第二定子芯；104C：第三定子芯；104D：第四定子芯；105：磁体组件；105A：第一磁体；105B：第二磁体；105C：第三磁体；105D：第四磁体；106：线圈组件；106A：第一线圈组件；106B：第二线圈组件；106C：第三线圈组件；106D：第四线圈组件；108：支撑轴；110a、110b：第一磁体的两腰；111a、111b：第二磁体的两腰；112a、112b：第三磁体的两腰；113a、113b：第四磁体的两腰；115：磁矩方向；120A、120B、120C、120D：凹槽；125A、125B、125C、125D：线圈缠绕方向；150a、150b、150c、150d：磁力方向；160a、160b、160c、160d：电流方向。
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。
图1是由动磁式音圈电机组成的快速反射镜100的结构图。该快速反射镜100是一种在二维方向上运动的快速反射镜，包括固定部分和可动部分。固定部分由线圈组件106和基座102构成，固定部分的线圈103A、103B、103C、103D放置在基座102的四个凹槽内。可动部分由磁体组件105和反射镜101组成，磁体组件105包括四个梯形永磁体105A、105B、105C、105D，通过黏性物质对称地固定在反射镜101与所述基座102相对的一面上。基座102上固定设置有支撑轴108，用于支撑所述反射镜101；反射镜101在所述线圈组件106和磁体组件105的作用力下作二维运动。反射镜101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。
基座102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100可以进一步包括传感器(未示出)以确定反射镜101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101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101的各种部件。
图2是图1的快速反射镜去除基座102后的结构图。为清楚起见，基座被移除，从而可以看到线圈组件106和磁体组件105的相对位置和对称分布。音圈电机的四个线圈组件和四个磁体组件以反射镜101的轴心为中心对称地分布在四周。
动磁式音圈电机组成的快速反射镜100包括四个线圈组件106A、106B、106C、106D作为固定部分，并且每个线圈组件106A、106B、106C、106D包括一个线圈和一个定子芯，如图2所示，第一线圈组件106A包括第一线圈103A及第一线圈103A内部的第一定子芯104A，第二线圈组件106B包括第二线圈103B及第二线圈103B内部的第二定子芯104B，第三线圈组件106C包括第三线圈103C及第三线圈103C内部的第三定子芯104C，第四线圈组件106D包括第四线圈103D及第四线圈103D内部的第四定子芯104D。各个所述线圈和定子芯具有相同的形状，对称地设置在所述基座102上。在这样的实施例中，快速反射镜运动可以由力来约束，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，使得两个定子芯通过引力拉动而另外两个定子芯通过斥力推动快速反射镜。
磁体组件105包括第一磁体105A、第二磁体105B、第三磁体105C和第四磁体105D，磁体组件105按逆时针顺序固定设置于反射镜101的下表面，且位于所述四个线圈103A、103B、103C、103D的间隔处。四个磁体105A、105B、105C、105D为相同形状的梯形，对称地固定设置于所述反射镜101的下表面，相邻两磁体的腰所在的表面相对。磁体105A、105B、105C、105D的腰所在的表面与相邻的线圈103A、103B、103C、103D绕定子芯的端面相对。
进一步的，第一线圈103A位于第一磁体105A和第二磁体105B之间，第二线圈103B位于第二磁体105B和第三磁体105C之间，第三线圈103C位于第三磁体105C和第四磁体105D之间，第四线圈103D位于第四磁体105D和第一磁体105A之间。
如图2所示，支撑轴108位于反射镜中心位置，实际上，支撑轴108包括两个部分，一部分固定设置在基座102上，另一部分固定设置在反射镜101上，两者结合能够支撑反射镜101在二维方向上运动一定范围。支撑轴108的具体结构在此不做限定。
图3是图2的结构图去除支撑轴的俯视图。快速反射镜100包括固定部分的线圈103A、103B、103C、103D和可动部分的反射镜101。可动部分还包括互连到反射镜上的四个永久磁体105A、105B、105C、105D。在该示例性实施例中，四个磁体位于反射镜101的四周：左下磁体105A，右下磁体105B，左上磁体105D，右上磁体105C。磁铁也彼此相对地定位，使得左下磁体105A与左上磁体105D相对，对于其他磁体也是如此。此外，磁体105A、105B、105C、105D具有一致的几何形状并且围绕反射镜101对称，以平衡或抵消反射镜101上的水平力。
具体如图3所示的实施例中，110b、111b、112b、113b分别为梯形磁体105A、105B、105C、105D的南极，110a、111a、112a、113a分别为梯形磁体105A、105B、105C、105D的北极。即左下磁体105A的南极靠近下部线圈组件106A并且其北极靠近左部线圈组件106D；右下磁体105B的北极靠近下部线圈组件106A并且其南极靠近右部线圈组件106B；左上磁体105D的南极靠近左部线圈组件106D并且其北极靠近上部线圈组件106C；右上磁体105C的北极靠近右部线圈组件106B并且其南极靠近上部线圈组件106C。如图3所示的实施例中，线圈103A、103B、103C、103D的电流方向为160a、160b、160c、160d所示，给线圈通入电流后，根据右手定则，线圈106B对磁体105C产生向外的力150d，线圈106C对磁体105C产生向外的力150c，使得线圈组件对磁体105C产生向外的吸力；线圈106D对磁体105A产生向内的力150a，线圈106A对磁体105A产生向内的力150b，使得线圈组件对磁体105A产生向内的斥力；这种力的分布使得快反镜组件沿着对角线向外倾斜。同理地，改变线圈中电流的方向可以使快反镜向任意方向倾斜。
可动部分可由铝构成。选择可动部分的横截面积使得磁体105A、105B、105C、105D在整个线圈电流范围内保持可动部分中的饱和磁通密度。在图3的实施例中每个固定部分103A、103B、103C、103D具有1个线圈103A、103B、103C、103D和定子芯104A、104B、104C、104D，定子芯由软磁材料纳米晶磁性材料组成。
本公开的实施例包括由纳米晶磁性材料层组成的定子芯104A、104B、104C、104D，可以增加音圈电机在没有大的能量损失的情况下操作的频率。磁体采用钕铁硼(同侧是同方向设置，另一侧是相反方向的设置)。与音圈电机中使用的传统材料相比，纳米晶磁性材料在较高频率下具有较低的磁滞损耗，不会经历太多的能量损失，直到频率超过100kHz。具有产生更快的响应时间，另外纳米晶磁性材料在快速场响应和场密度饱和之间具有良好的平衡。
本公开的实施例工作时，两组线圈加入同向电流，在软磁材料中产生与永磁同向的磁场，因此软磁材料与永磁产生吸引力；另两组线圈加反向电流，电流在软磁材料中产生与永磁方向相反的磁场，因此软磁材料与永磁产生排斥力。通过反射镜固定架两端力的不平衡使其发生旋转，带动反射镜发生偏转。
图4是图1所示的快速反射镜组件的线圈组件固定的基座的结构图。图5是图4所示的结构图的俯视图。基座102的四个凹槽120A、120B、120C、120D分别用于固定线圈组件106A、106B、106C、106D，具体的，第一线圈103A、第二线圈103B、第三线圈103C和第四线圈103D按逆时针顺序分别固定嵌入所述基座102的四个凹槽120A、120B、120C、120D。
线圈缠绕方向如图5所示，线圈103A缠绕方向为箭头125A所示，朝向右下方；线圈103B缠绕方向为箭头125B所示，朝向左下方；线圈103C缠绕方向为箭头125C所示，朝向右下方；线圈103D缠绕方向为箭头125D所示，朝向左下方。
综上所述，本发明提供了一种二维动磁式快速反射镜装置，包括固定部分和可动部分，固定部分包括线圈组件和基座，可动部分包括磁体组件和反射镜；线圈组件固定设置在基座上；磁体组件固定设置在反射镜与基座相对的一面上；基座上固定设置有支撑轴，用于支撑反射镜；反射镜在线圈组件和磁体组件的作用力下作二维运动。本发明提供的快速反射镜装置，其中包括线圈组件和磁体组件的音圈电机采用线圈固定、磁体可动的结构，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；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。
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 (9)
1.一种二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，包括固定部分和可动部分，所述固定部分包括线圈组件(106)和基座(102)，所述可动部分包括磁体组件(105)和反射镜(101)；
所述线圈组件(106)固定设置在基座(102)上；
所述磁体组件(105)固定设置在所述反射镜(101)与所述基座(102)相对的一面上；
所述基座(102)上固定设置有支撑轴(108)，用于支撑所述反射镜(101)；
所述反射镜(101)在所述线圈组件(106)和磁体组件(105)的作用力下作二维运动。
2.根据权利要求1所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，所述线圈组件(106)包括四个线圈组件(106A、106B、106C、106D)，第一线圈组件(106A)包括第一线圈(103A)及第一线圈(103A)内部的第一定子芯(104A)，第二线圈组件(106B)包括第二线圈(103B)及第二线圈(103B)内部的第二定子芯(104B)，第三线圈组件(106C)包括第三线圈(103C)及第三线圈(103C)内部的第三定子芯(104C)，第四线圈组件(106D)包括第四线圈(103D)及第四线圈(103D)内部的第四定子芯(104D)；
所述第一线圈(103A)、第二线圈(103B)、第三线圈(103C)和第四线圈(103D)按逆时针顺序分别固定嵌入所述基座(102)的四个凹槽(120A、120B、120C、120D)。
3.根据权利要求2所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，各个所述线圈和定子芯具有相同的形状，对称地设置在所述基座(102)上。
4.根据权利要求2或3所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，所述磁体组件(105)包括第一磁体(105A)、第二磁体(105B)、第三磁体(105C)和第四磁体(105D)，所述磁体组件(105)按逆时针顺序固定设置于所述反射镜(101)的下表面，且位于所述四个线圈(103A、103B、103C、103D)的间隔处。
5.根据权利要求4所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，所述四个磁体(105A、105B、105C、105D)为相同形状的梯形，对称地固定设置于所述反射镜(101)的下表面，相邻两磁体的腰所在的表面相对。
6.根据权利要求5所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，所述磁体(105A、105B、105C、105D)的腰所在的表面与相邻的线圈103A、103B、103C、103D)绕定子芯的端面相对。
7.根据权利要求6所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，所述第一磁体(105A)与所述第二磁体(105B)相对设置的腰表面同为北极；所述第三磁体(105C)与所述第四磁体(105D)相对设置的腰表面同为南极；所述第二磁体(105B)为南极的另一腰表面与所述第三磁体(105C)为北极的另一腰表面相对；所述第四磁体(105D)为北极的另一腰表面与所述第一磁体(105A)为南极的另一腰表面相对。
8.根据权利要求7所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，所述第一线圈(103A)位于所述第一磁体(105A)和第二磁体(105B)之间，所述第二线圈(103B)位于所述第二磁体(105B)和第三磁体(105C)之间，所述第三线圈(103C)位于所述第三磁体(105C)和第四磁体(105D)之间，所述第四线圈(103D)位于所述第四磁体(105D)和第一磁体(105A)之间。
9.根据权利要求1所述的二维动磁式快速反射镜装置，其特征在于，还包括传感器和控制器，所述传感器采集反射镜(101)的位移或角度，控制器响应来自传感器的信号校正以及调节反射镜(101)的位置。
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