CN110262036B - 一种二维大角度快速偏转反射镜 - Google Patents

一种二维大角度快速偏转反射镜 Download PDF

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Abstract

一种二维大角度快速偏转反射镜，包括反射镜组件、支撑组件、驱动组件、传感器组件及基座，支撑组件为自制球轴承，能够绕球心自由转动，通过圆锥螺旋弹簧进行预紧，使其在没有驱动外力的情况下能够保持在初始零角度位置，驱动组件采用四个音圈电机作为驱动原件，音圈电机的球心与支撑组件的球心相重合，音圈电机推动支撑组件二维转动，音圈电机的磁钢与线圈的间隙始终为定值，相互不会发生碰撞，能够产生相当大的偏转角度，支撑组件与驱动组件的球心位于平面反射镜的反射表面上，因此，反射镜的两个相互垂直的偏转轴位于反射镜表面上，快速偏转反射镜过程中，能够消除由于偏转轴与反射镜表面不重合带来的反射光束的平移，提高光束的控制精度。

Description

一种二维大角度快速偏转反射镜
技术领域
本发明涉及精密光学机械结构设计技术领域，特别涉及一种二维大角度快速偏转反射镜。
背景技术
快速偏转反射镜作为快速精准控制光束指向的部件，在航空、航天和工业等领域的应用愈发广泛，快速偏转反射镜在光学系统中的作用主要有稳定视轴和像移补偿等。目前来说，快速偏转反射镜的驱动元件主要采用压电陶瓷和直线式音圈电机，对于像移补偿等大角度的应用场景，常采用直线式音圈电机来驱动快速偏转反射镜，但是随着偏转角度的增大，直线式音圈电机的磁钢与线圈会发生碰撞，以致损坏音圈电机。因此，需要设计一种大角度的快速偏转反射镜。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种二维大角度快速偏转反射镜，偏转角度达到十几度甚至几十度，音圈电机的磁钢与线圈不会发生碰撞，同时在偏转过程中磁钢与线圈的气隙不发生改变，音圈电机输出力矩不会随偏转角度产生变化。
一种二维大角度快速偏转反射镜，包括反射镜组件、支撑组件、驱动组件、传感器组件及基座，其特征在于，所述反射镜组件包括反射镜及用于安装所述反射镜的反射镜座，所述支撑组件上端通过螺钉与所述反射镜座连接，所述支撑组件下端通过螺钉与所述基座连接，所述驱动组件的一端与所述反射镜座的背部连接，所述驱动组件的另一端与所述基座连接，所述基座上设有安装孔，所述传感器组件设置在所述安装孔内，所述传感器组件朝向所述反射镜座并检测所述反射镜产生的位移。
优选地，所述反射镜组件还包括压块，所述反射镜的四个角设有四个下凹安装平面，所述反射镜通过所述压块用螺钉将所述反射镜的四个下凹安装平面压紧于所述反射镜座中。
优选地，所述支撑组件包括轴承内圈,、钢珠、轴承外圈、螺柱、圆锥螺旋弹簧、垫片及螺母，所述轴承内圈为外凸球面结构，所述轴承外圈为内凹球面结构，所述轴承外圈的内凹球面上设有球窝，所述钢球安装于所述球窝内，所述轴承内圈与所述轴承外圈之间装配所述钢珠，所述螺柱一端与所述轴承内圈连接，所述轴承外圈设有中心锥孔，所述螺柱另一端由所述轴承外圈内凹球面穿过所述中心锥孔，所述圆锥螺旋弹簧和所述垫片设有与所述螺柱相适配的通孔，且所述螺柱的另一端穿过所述通孔，所述螺母安装在所述螺柱上，拧紧所述螺母通过所述圆锥螺旋弹簧与所述垫片将所述轴承内圈、所述钢珠及所述轴承外圈压紧。
优选地，所述轴承内圈的球心与所述轴承外圈的球心相重合。
优选地，所述基座上设有圆柱法兰，所述支撑组件通过螺钉固定于所述圆柱法兰内。
优选地，所述驱动组件采用音圈电机，所述音圈电机包括磁钢和线圈，所述磁钢拆分为两部分，所述磁钢中间具有磁力线，将所述线圈安装于所述磁力线中，所述磁钢与所述线圈均为球面形状。
优选地，所述磁钢的一端设有定位柱，所述定位柱安装于所述反射镜座的背部，所述基座上设有凹槽，所述磁钢另一端安装于所述凹槽内，所述线圈两端设有螺纹孔，所述基座上对称设置四个安装座，所述线圈通过螺纹孔安装于所述安装座上。
优选地，安装后所述音圈电机的球心相重合，所述音圈电机的球心与所述支撑组件的球心相重合。
优选地，所述安装孔为四个，所述传感器组件为四个。
优选地，所述传感器组件包括位移传感器，所述传感器组件包括位移传感器，所述安装孔设有内螺纹，所述位移传感器一端通过所述内螺纹安装于所述安装孔内。
本发明的有益效果为：(1)支撑组件为一种自制球轴承，能够绕球心自由转动，通过圆锥螺旋弹簧进行预紧，使其在没有驱动外力的情况下能够保持在初始零角度位置；(2)驱动组件采用四个一致的音圈电机作为驱动原件，音圈电机的球心与支撑组件的球心相重合，音圈电机推动支撑组件进行二维转动，其音圈电机的磁钢与线圈的间隙始终为定值，并且相互不会发生碰撞，能够产生相当大的偏转角度；(3)支撑组件与驱动组件的球心位于平面反射镜的反射表面上，因此，反射镜组件的两个相互垂直的偏转轴位于反射镜表面上，在快速偏转反射镜的应用过程中，能够消除由于偏转轴与反射镜表面不重合带来的反射光束的平移，提高光束的控制精度。
附图说明
图1为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的爆炸图；
图2为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的俯视图；
图3为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜沿图2所示A-A虚线的剖视图；
图4为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜沿图2所示B-B虚线的剖视图；
图5为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的反射镜组件的结构示意图；
图6为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的支撑组件的结构示意图；
图7为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的驱动组件的结构示意图；
图8为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的移除反射镜组件和支撑组件的俯视图；
图9为本发明实施例中二维大角度快速偏转反射镜的基座的结构示意图。
其中：1-反射镜组件；11-平面反射镜；12-压块；13-反射镜座；2-支撑座组件；21-轴承内圈；22-钢珠；23-轴承外圈；24-螺柱；25-圆锥螺旋弹簧；26-垫片；27-螺母；3-驱动组件；31-磁钢；32-线圈；4-位移传感器；5-基座；51-安装座；52-安装孔；53-凹槽；54-圆柱法兰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
结合图1至图4所示:一种二维大角度快速偏转反射镜，包括反射镜组件1、支撑组件2、驱动组件3、传感器组件4及基座5，反射镜组件1包括反射镜11及用于安装反射镜的反射镜座13，所述支撑组件2上端通过螺钉与所述反射镜座13连接，所述支撑组件2下端通过螺钉与所述基座5连接，驱动组件3的一端与反射镜座13的背部连接，驱动组件3的另一端与基座5连接，基座5上设有安装孔52，传感器组件4设置在安装孔52内，传感器组件4朝向反射镜座13并检测反射镜11产生的位移，反射镜组件1通过支撑组件1安装于基座5上，反射镜组件1相对于基座5绕X轴、Y轴偏转。四个同样的传感器组件4以O为中心，成90°间隔均匀布置于X轴与Y轴上，X、Y轴线上各两个，传感器组件4对反射镜组件1绕X轴转动的角度进行差分测量，传感器组件4对反射镜组件1绕Y轴转动的角度进行差分测量，采用四个传感器组件4对反射镜角度转动进行差分式测量，能够消除环境影响以及安装误差。
如图5所示：反射镜组件还包括压块12，反射镜11的四个角设有四个下凹安装平面，反射镜11安装于反射镜座13中，四个同样的压块12用螺钉将反射镜11的四个下凹安装平面压紧。这种安装方式，能够有效防止平面反射镜11的反射镜面面形发生改变。
如图6所示：所述支撑组件包括轴承内圈21,、钢珠22、轴承外圈23、螺柱24、圆锥螺旋弹簧25、垫片26及螺母27，轴承内圈21为外凸球面结构，轴承外圈23为内凹球面结构，轴承外圈23的内凹球面上设有球窝，所述钢球22安装于所述球窝内，钢球22在球窝内自由转动，轴承内圈21与轴承外圈23之间装配有钢珠22，螺柱24的一端与所述轴承内圈21连接，轴承外圈23设有中心锥孔，螺柱24的另一端由轴承外圈23内凹球面穿过中心锥孔，轴承外圈23的中心锥孔为限位孔，轴承内圈21相对于轴承外圈23转动到最大角度时，螺柱24与限位孔相碰撞。圆锥螺旋弹簧25和垫片26设有与螺柱24相适配的通孔，且螺柱24的另一端穿过通孔，螺母27安装在螺柱24上，拧紧螺母27通过圆锥螺旋弹簧25与垫片26将轴承内圈21、钢珠22及轴承外圈23压紧；处于压缩状态的圆锥螺旋弹簧25其侧向力能够保持支撑组件2在没有外驱动力时保持零角度位置，两个螺母27对圆锥螺旋弹簧25的预紧力进行固定防松。
进一步地，轴承内圈21的球心与轴承外圈23的球心相重合。
基座5上设有圆柱法兰54，支撑组件2通过螺钉固定于圆柱法兰54内。
如图7所示：驱动组件3采用音圈电机，音圈电机包括磁钢31和线圈32，磁钢31拆分为两部分，磁钢31中间具有磁力线，将线圈32安装于磁力线中，磁钢31与线圈32均为球面形状。
结合图7及图9所示：磁钢31的一端设有定位柱，定位柱安装于反射镜座13的背部，基座上对称设置四个凹槽53，磁钢31另一端安装于凹槽53内，线圈32两端设有螺纹孔，基座5上对称设置四个安装座51，线圈32通过螺纹孔安装于安装座51上。
进一步地，安装后所述音圈电机的球心相重合，所述音圈电机的球心与所述支撑组件2的球心相重合。
如图8所示：对称设置四个安装孔52，传感器组件4为四个，驱动组件3对应也设置为四个，四个驱动组件3以坐标原点O为中心成90°均匀布置，四个驱动组件3与X轴、Y轴成45°间隔均匀布置，使得整个装置可以实现绕X轴、Y轴的偏转。
进一步地，传感器组件4包括位移传感器41，所述安装孔52设有内螺纹，位移传感器41一端通过内螺纹安装于所述安装孔52内，通过内螺纹可调节四个传感器组件的高度。
四个音圈电机的球心在空间交汇于一点O，围绕O点成圆周均匀布置，安装后音圈电机的球心重合，每对称的两个音圈电机组成一对推拉力矩，当音圈电机绕球心大角度转动时，磁钢31和线圈32不会发生碰撞，同时磁钢31和线圈32之间的空气间隙保持不变，并且相互不会发生碰撞，能够产生相当大的偏转角度，提高快速控制反射镜的精度。
磁钢31为运动部分，线圈32为固定部分，这样反射镜组件1产生偏转运动时没有导线的干扰力矩，同时线圈32产生的热量通过基座5进行消散，防止热量影响反射镜11面形。
本发明二维大角度快速偏转反射镜，使得现有的采用音圈电机驱动的快速偏转反射镜你能够实现更大的偏转角度，音圈电机的磁钢与线圈之间的气隙不发生改变，提高快速反射镜的控制精度。此外，其两个偏转轴位于反射镜表面，其交点位于反射镜表面中心处，在快速偏转反射镜的应用过程中，能够消除由于偏转轴与反射镜表面不重合带来的反射光束的平移，提高光束的控制精度。
采用4个驱动组件3两两推拉的方式转动反射镜组件1，增加了结构的对称性和稳定性，采用四个传感器组件4对反射镜转动角度进行差动式测量，能够消除环境对测量精度的影响，有利于提高快速偏转反射镜系统的控制精度，驱动组件3和传感器组件5对称交叉布置，减小了系统结构尺寸。
支撑组件2为一种自制球轴承，能够绕球心自由转动，通过圆锥螺旋弹簧25进行预紧，使其在没有驱动外力的情况下能够保持在初始零角度位置；驱动组件采用四个一致的音圈电机作为驱动原件，其音圈电机的球心与支撑组件2的球心相重合，音圈电机推动支撑组件进行二维转动，其音圈电机的磁钢与线圈的间隙始终为定值，并且相互不会发生碰撞，能够产生相当大的偏转角度；支撑组件2与驱动组件3的球心位于平面反射镜的反射表面上，因此，反射镜组件1的X和Y两个相互垂直的偏转轴位于反射镜11表面上，在快速偏转反射镜11的应用过程中，能够消除由于偏转轴与反射镜11表面不重合带来的反射光束的平移，提高光束的控制精度。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种二维大角度快速偏转反射镜，包括反射镜组件(1)、支撑组件(2)、驱动组件(3)、传感器组件(4)及基座(5)，其特征在于，所述反射镜组件(1)包括反射镜(11)及用于安装所述反射镜的反射镜座(13)，所述支撑组件(2)上端通过螺钉与所述反射镜座(13)连接，所述支撑组件(2)下端通过螺钉与所述基座(5)连接，所述驱动组件(3)的一端与所述反射镜座(13)的背部连接，所述驱动组件(3)的另一端与所述基座(5)连接，所述基座(5)上设有安装孔(52)，所述传感器组件(4)设置在所述安装孔(52)内，所述传感器组件(4)朝向所述反射镜座(13)并检测所述反射镜(11)产生的位移；
所述驱动组件(3)采用音圈电机，所述音圈电机包括磁钢(31)和线圈(32)，所述磁钢(31)拆分为两部分，所述磁钢(31)中间具有磁力线，将所述线圈(32)安装于所述磁力线中，所述磁钢(31)与所述线圈(32)均为球面形状；
所述磁钢(31)的一端设有定位柱，所述定位柱安装于所述反射镜座(13)的背部，所述基座上设有凹槽(53)，所述磁钢(31)另一端安装于所述凹槽(53)内，所述线圈(32)两端设有螺纹孔，所述基座(5)上对称设置四个安装座(51)，所述线圈(32)通过螺纹孔安装于所述安装座(51)上；
安装后所述四个音圈电机的球心相重合，所述音圈电机的球心与所述支撑组件(2)的球心相重合；
所述支撑组件包括轴承内圈(21)、钢珠(22)、轴承外圈(23)、螺柱(24)、圆锥螺旋弹簧(25)、垫片(26)及螺母(27)，所述轴承内圈(21)为外凸球面结构，所述轴承外圈(23)为内凹球面结构，所述轴承外圈(23)的内凹球面上设有球窝，所述钢珠 (22)安装于所述球窝内，所述轴承内圈(21)与所述轴承外圈(23)之间装配所述钢珠(22)，所述螺柱(24)一端与所述轴承内圈(21)连接，所述轴承外圈(23)设有中心锥孔，所述螺柱(24)另一端由所述轴承外圈(23)内凹球面穿过所述中心锥孔，所述圆锥螺旋弹簧(25)和所述垫片(26)设有与所述螺柱(24)相适配的通孔，且所述螺柱(24)的另一端穿过所述通孔，所述螺母(27)安装在所述螺柱(24)上，拧紧所述螺母(27)通过所述圆锥螺旋弹簧(25)与所述垫片(26)将所述轴承内圈(21)、所述钢珠(22)及所述轴承外圈(23)压紧。
2.如权利要求1所述的二维大角度快速偏转反射镜，其特征在于，所述反射镜组件还包括压块(12)，所述反射镜(11)的四个角设有四个下凹安装平面，所述反射镜(11)通过所述压块(12)用螺钉将所述反射镜(11)的四个下凹安装平面压紧于所述反射镜座(13)中。
3.如权利要求1所述的二维大角度快速偏转反射镜，其特征在于，所述轴承内圈(21)的球心与所述轴承外圈(23)的球心相重合。
4.如权利要求1所述的二维大角度快速偏转反射镜，其特征在于，所述基座上设有圆柱法兰(54)，所述支撑组件(2)通过螺钉固定于所述圆柱法兰(54)内。
5.如权利要求1所述的二维大角度快速偏转反射镜，其特征在于，所述安装孔(52)为四个，所述传感器组件(4)为四个。
6.如权利要求5所述的二维大角度快速偏转反射镜，其特征在于，所述传感器组件(4)包括位移传感器(41)，所述安装孔(52)设有内螺纹，所述位移传感器(41)一端通过所述内螺纹安装于所述安装孔(52)内。
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