CN109343196A - 一种快速反射镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种快速反射镜装置，其包括音圈电机、旋转轴组件、基座、反射镜固定架以及反射镜，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，从而达到精确控制光束偏转角度的目的。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；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，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。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2个音圈电机，在旋转轴组件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。线圈工作会加热反射镜，使反射镜产生变形，最终影响光学系统的成像质量。其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。另外，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
本发明的目的是提供一种快速反射镜装置，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，并且不会对反射镜加热。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种快速反射镜装置，包括音圈电机110、旋转轴组件106、基座103、反射镜固定架102以及反射镜101；
所述音圈电机110设置在所述旋转轴组件106两侧，且固定连接于所述基座103；
所述旋转轴组件106固定设置于所述基座103上，并能在顺时针或逆时针方向上转动一定角度；
所述反射镜固定架102固定连接于所述旋转轴组件106上，随旋转轴组件106的转动而上下摆动；
所述反射镜101固定设置于所述反射镜固定架102上方，随所述反射镜固定架102的摆动而摆动。
进一步的，所述音圈电机110包括固定部分和可动部分。
进一步的，所述固定部分包括两个定子组件111A、111B，每个定子组件包括定子芯105A、105B和缠绕在定子芯105A、105B上的线圈104A、104B；
所述可动部分包括四个永久磁铁107A、107B、107C、107D，对称地固定设置在所述反射镜固定架102上，并分别与所述定子芯未缠绕线圈的端面相对。
进一步的，所述线圈104A、104B的一部分嵌入所述基座103上相应的凹槽108内，以使所述线圈104A、104B固定设置于所述基座103上。
进一步的，所述固定部分包括四个永久磁铁107A’、107B’、107C’、107D’对称地设置在所述旋转轴组件106的两侧，并固定设置于所述基座103上；
所述可动部分包括四个定子组件111A、111B，每个定子组件包括定子芯和缠绕在定子芯上的线圈，所述四个定子组件111A’、111B’、111C’、111D’固定设置在所述反射镜固定架102上，每个定子组件对应一个永久磁体。
进一步的，所述永久磁铁107A’、107B’、107C’、107D’的一部分嵌入所述基座103上相应的凹槽108内，以使所述永久磁铁107A’、107B’、107C’、107D’固定设置于所述基座103上。
进一步的，所述转向轴组件106包括转向轴基座112、转向块113和转向轴114，所述转向块113位于所述转向轴基座112的凹槽内，所述转向轴基座112和转向块113具有通孔，转向轴114设置于所述通孔内并与所述转向块113固定连接，转向轴114转动时带动所述转向块113转动。
进一步的，所述转向轴基座112与所述基座103固定连接；所述转向块113与所述反射镜固定架102固定连接。
进一步的，位于所述旋转轴组件106同侧的所述永久磁铁具有相同的磁极方向；位于所述旋转轴组件106两侧且相对的所述永久磁铁具有相反的磁极方向。
进一步的，所述定子芯105A、105B由软磁材料纳米晶磁性材料、坡莫合金、硅钢片或电工软铁制成。
综上所述，本发明提供了一种快速反射镜装置，其包括音圈电机、旋转轴组件、基座、反射镜固定架以及反射镜，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，具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是本发明的动磁式音圈电机组成的快速反射镜装置的结构示意图；
图2是本发明的动圈式音圈电机组成的快速反射镜装置的结构示意图；
图3是图1中去除反射镜、反射镜固定架和永久磁铁后的快速反射镜装置的结构示意图；
图4是图1中去除基座后的快速反射镜装置的结构示意图；
图5是图1中沿AA剖面的剖视图；
图6是图1中与AA剖面垂直的纵向剖面的剖视图。
附图标记：
100：快速反射镜装置；101：反射镜；102：反射镜固定架；103：基座；104A、104B：线圈；105A、105B：定子芯；106：转向轴组件；107A、107B、107C、107D、107A’、107B’、107C’、107D’：永久磁铁；108：凹槽；110：音圈电机；111A、111B、111A’、111B’、111C’、111D’：定子组件；112：转向轴基座；113：转向块；114：转向轴。
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装置100的结构图。该快速反射镜装置100包括动磁式音圈电机110、旋转轴组件106、基座103、反射镜固定架102以及反射镜101。音圈电机110通过旋转轴组件106连接到基座103，设置在所述旋转轴组件106两侧，固定部分的线圈104A和104B放置在底座的两个对称凹槽108内。旋转轴组件106固定设置于所述基座103上，并能在顺时针或逆时针方向上转动一定角度。旋转轴组件106是有限旋转角度的轴承，适用于有限角度范围的往复运动，其下端通过螺钉等固定装置与基座固定，上端与反射镜固定架相连，通过力带动反射镜围绕旋转轴组件旋转，使角度发生偏移。反射镜固定架102固定连接于所述旋转轴组件106上，随旋转轴组件106的转动而上下摆动。反射镜由反射镜固定架102支撑，设置于反射镜固定架102的上方，其具有两个与旋转轴组件106固定的定位孔，可利用螺钉等紧固零件将其与旋转轴组件106固定连接，随反射镜固定架102的摆动而摆动。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。
如图1所示音圈电机110为动磁式音圈电机，包括固定部分和可动部分。固定部分包括两个定子组件111A、111B，每个定子组件包括定子芯105A、105B和缠绕在定子芯105A、105B上的线圈104A、104B，线圈104A、104B的一部分嵌入所述基座103上相应的凹槽108内，以使所述线圈104A、104B固定设置于所述基座103上。
具体的，动磁式音圈电机110包括两个固定部分111A、111B(内定子和外定子)，并且每个定子111A、111B包括定子芯组件105A、105B，每个定子具有一个线圈。在这样的实施例中，快速反射镜运动可以由旋转轴组件106约束，通过以相反的电流驱动相对的音圈电机110来实现反射镜倾斜，使得一个定子芯组件通过引力拉动而另一个定子芯组件通过斥力推动快速反射镜装置。可以限定音圈电机平面，使得该平面将音圈电机分成两半，其中一半包括内定子111A，一半包括外定子111B。
音圈电机110的可动部分包括四个永久磁铁107A、107B、107C、107D，对称地固定设置在所述反射镜固定架102上，并分别与所述定子芯未缠绕线圈的端面相对。采用动磁式音圈电机具有较好的响应时间和带宽，与动圈式音圈电机相比具有如下特点：一是避免线圈加热反射镜，从而使反射镜产生变形，并进一步影响面型精度；二是避免了线缆的拖拽，减少了线缆断掉风险。与其它动磁式音圈电机相比，该动磁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。
基座103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。快速反射镜装置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。
如图2所示是由动圈式音圈电机组成的快速反射镜装置的结构图。音圈电机110为动圈式音圈电机，包括固定部分和可动部分。固定部分包括四个永久磁铁107A’、107B’、107C’、107D’对称地设置在旋转轴组件106的两侧，并固定设置于基座103上；可动部分包括四个定子组件111A’、111B’、111C’、111D’，每个定子组件包括定子芯和缠绕在定子芯上的线圈，所述四个定子组件111A’、111B’、111C’、111D’固定设置在所述反射镜固定架102上，每个定子组件对应一个永久磁体。永久磁铁107A’、107B’、107C’、107D’嵌入基座103上相应的凹槽内，以使所述永久磁铁107A’、107B’、107C’、107D’固定设置于基座103上。采用动圈式设计的音圈电机，即磁体部分连接在快速反射镜装置的基座上，线圈连接在反射镜固定架上。采用动圈式音圈电机，因一般线圈部分的重量远小于磁体部分的重量，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。其他部件和采用动磁式音圈电机的快速反射镜装置的设置一样，在此不再赘述。
图3是图1的快速反射镜装置去除反射镜、反射镜固定架和永久磁铁后的结构图。为清楚起见，反射镜等被移除，从而可以看到旋转轴组件106。音圈电机的两个芯组件以旋转轴组件106的轴线为中心对称地分布在两侧。
旋转轴组件106位于反射镜101的中心处或附近，或者位于基座103的中心处或附近，并且定位在反射镜101和基座103之间。旋转轴组件106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106可以用在不同的实施例中。
图4是动磁式音圈电机的示意图。动磁式音圈电机110包括固定部分111A和111B和可动部分反射镜固定架102。可动部分还包括互连到反射镜固定架上的四个永久磁体107A、107B、107C、107D。在该示例性实施例中，两个磁体位于固定架102的每一侧(即前侧和后侧)：前左磁体107A，前右磁体107B，后左磁体107D，后右磁体107C。磁铁也彼此相对地定位，使得前左磁体107A与后左磁体107D相对，对于其他磁体也是如此。此外，磁体107A、107B、107C、107D具有一致的几何形状并且围绕反射镜固定架102对称，以平衡或抵消反射镜固定架102上的水平力。
在图4所示的实施例中，位于所述旋转轴组件106同侧的所述永久磁铁具有相同的磁极方向；位于所述旋转轴组件106两侧且相对的所述永久磁铁具有相反的磁极方向。具体的，前左磁体107A的北极靠近左固定部分111A并且其南极靠近可动部分102向外，使得其磁矩方向朝向左固定部分111A定向；前右磁体107B的南极靠近右固定部分111B并且其北极靠近可动部分102向外，使得其磁矩方向朝向可动部分102向外定向；后左磁体107D的北极靠近左固定部分111A并且其南极靠近可动部分102向外，使得其磁矩方向朝向左固定部分111A定向；后右磁体107C的南极靠近右固定部分111B并且其北极靠近可动部分102向外，使得其磁矩方向朝向可动部分102向外定向。反射镜固定架上的四个永久磁体107A、107B、107C、107D的这种配置产生了的向左下方向的转子芯磁矩。
反射镜固定架102可由具有铝构成。选择反射镜固定架102的横截面积使得磁体107A、107B、107C、107D在整个线圈电流范围内保持反射镜固定架102中的饱和磁通密度。在图4的实施例中每个固定部分111A，111B具有1个线圈104A、104B和一个定子芯105A，105B。定子芯由软磁材料制成，每个软磁材料均由纳米晶磁性材料组成，也可采用坡莫合金、硅钢片、电工软铁等软磁材料制成。
图5是图1沿着A-A剖切的剖视图，并具体显示了永久磁铁、反射镜固定架和旋转轴组件的相对位置。转向轴组件106包括转向轴基座112、转向块113和转向轴114，转向块113位于转向轴基座112的凹槽内，转向轴基座112和转向块113具有通孔，转向轴114设置于所述通孔内并与所述转向块113固定连接，转向轴114转动时带动所述转向块113转动。转向轴基座112与基座103固定连接；转向块113与反射镜固定架102固定连接。
本发明公开的实施例包括由纳米晶磁性材料层组成的芯105A，105B，以增加音圈电机可在没有大的能量损失的情况下操作的频率。永久磁铁可以为钕铁硼，但不限于用这个(同侧是同方向设置，另一侧是相反方向的设置)。与音圈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。
音圈电机工作时，一侧线圈加电流，在定子芯软磁材料中产生与永久磁铁同向的磁场，因此定子芯软磁材料与永久磁铁产生吸引力；另一侧线圈加反向电流，电流在定子芯软磁材料中产生与永久磁铁方向相反的磁场，因此定子芯软磁材料与永久磁铁产生排斥力。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。
综上所述，本发明提供了一种快速反射镜装置，其包括音圈电机、旋转轴组件、基座、反射镜固定架以及反射镜，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。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；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 (10)
1.一种快速反射镜装置，其特征在于，包括音圈电机(110)、旋转轴组件(106)、基座(103)、反射镜固定架(102)以及反射镜(101)；
所述音圈电机(110)设置在所述旋转轴组件(106)两侧，且固定连接于所述基座(103)；
所述旋转轴组件(106)固定设置于所述基座(103)上，并能在顺时针或逆时针方向上转动一定角度；
所述反射镜固定架(102)固定连接于所述旋转轴组件(106)上，随旋转轴组件(106)的转动而上下摆动；
所述反射镜(101)固定设置于所述反射镜固定架(102)上方，随所述反射镜固定架(102)的摆动而摆动。
2.根据权利要求1所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述音圈电机(110)包括固定部分和可动部分。
3.根据权利要求2所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述固定部分包括两个定子组件(111A、111B)，每个定子组件包括定子芯(105A、105B)和缠绕在定子芯(105A、105B)上的线圈(104A、104B)；
所述可动部分包括四个永久磁铁(107A、107B、107C、107D)，对称地固定设置在所述反射镜固定架(102)上，并分别与所述定子芯未缠绕线圈的端面相对。
4.根据权利要求3所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述线圈(104A、104B)的一部分嵌入所述基座(103)上相应的凹槽(108)内，以使所述线圈(104A、104B)固定设置于所述基座(103)上。
5.根据权利要求2所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述固定部分包括四个永久磁铁(107A’、107B’、107C’、107D’)对称地设置在所述旋转轴组件(106)的两侧，并固定设置于所述基座(103)上；
所述可动部分包括四个定子组件(111A’、111B’、111C’、111D’)，每个定子组件包括定子芯和缠绕在定子芯上的线圈，所述四个定子组件(111A’、111B’、111C’、111D’)固定设置在所述反射镜固定架(102)上，每个定子组件对应一个永久磁体。
6.根据权利要求5所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述永久磁铁(107A’、107B’、107C’、107D’)嵌入所述基座(103)上相应的凹槽(108)内，以使所述永久磁铁(107A’、107B’、107C’、107D’)固定设置于所述基座(103)上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述转向轴组件(106)包括转向轴基座(112)、转向块(113)和转向轴(114)，所述转向块(113)位于所述转向轴基座(112)的凹槽内，所述转向轴基座(112)和转向块(113)具有通孔，转向轴(114)设置于所述通孔内并与所述转向块(113)固定连接，转向轴(114)转动时带动所述转向块(113)转动。
8.根据权利要求7所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述转向轴基座(112)与所述基座(103)固定连接；所述转向块(113)与所述反射镜固定架(102)固定连接。
9.根据权利要求3-6任一项所述的快速反射镜装置，其特征在于，位于所述旋转轴组件(106)同侧的所述永久磁铁具有相同的磁极方向；位于所述旋转轴组件(106)两侧且相对的所述永久磁铁具有相反的磁极方向。
10.根据权利要求3-6任一项所述的快速反射镜装置，其特征在于，所述定子芯(105A、105B)由软磁材料纳米晶磁性材料、坡莫合金、硅钢片或电工软铁制成。
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