CN110707898B - 一种快速反射镜 - Google Patents
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Abstract
一种快速反射镜装置，其包括音圈电机、线圈固定架、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线圈组件进行一定范围内的位移，带动反射镜固定架以及反射镜在一维方向上进行往复运动，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，线圈磁感线封闭，可使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；采用动圈式音圈电机用于快速反射镜装置中，能够获得较大的运动范围、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结构的设计。
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动圈式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。另外，现有的动圈式音圈电机，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。
此外，现有技术，诸如中国专利申请号：CN2017112581860、CN2018109440679、CN2018113780601、CN201821904098以及欧洲专利公开号：EP1737120B1、日本公开号：JP2005325429、JPS641462公开了反射镜的结构及其构造，但是并没有解决上述背景技术中的缺陷，同时本领域技术人员也无法根据公开的内容毫无疑义的确定得出能够解决现有技术中存在的缺陷。
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100、线圈固定架104、基座107、反射镜固定架106以及反射镜101；
所述音圈电机100设置在上下两个基座107中间，且固定连接于所述基座107，该音圈电机100包括线圈组件和磁体组件；
所述线圈组件包括多个线圈103，均匀地呈放射状分布，每个线圈103对应设置在一个线圈固定架104朝向中心的凹槽内；
所述磁体组件包括多个磁体102，数量与所述线圈103一致，与所述多个线圈103间隔交替设置；
所述反射镜固定架106固定设置于所述线圈固定架104外侧上。
进一步的，所述线圈组件为可动线圈组件；所述磁体组件为固定磁体组件；所述反射镜101通过线圈固定架104和反射镜固定架106固定设置于所述线圈组件104上，随所述线圈组件104的运动而上下移动。
进一步的，所述线圈固定架104远离中心的外侧面具有凸棱，所述反射镜固定架106 固定连接在所述凸棱上。进一步的，每个所述磁体包括第一永久磁体、软磁材料和第二永久磁体，所述软磁材料设置于所述第一永久磁体和第二永久磁体之间。
进一步的，所述磁体的横截面为梯形，窄底面朝向中心、宽底面远离中心设置，相邻的两个磁体的侧面平行；所述磁体固定设置于所述基座107上。
进一步的，每组所述第一、第二永久磁铁通过粘合的方式与横截面形状相同的软磁材料105相结合固定，使软磁材料位于每组的两个磁体中间，且所述第二永久磁铁固定设置于所述基座107上。
进一步的，每个通过软磁材料105相隔开的第一、第二永久磁铁具有相反的磁极方向；沿着基座圆周均匀排列的多个磁体具有相同的磁极方向。
进一步的，相邻的两个磁体靠近的端面具有不同的磁极极性。
进一步的，所述软磁材料105由纳米晶磁性材料、坡莫合金、硅钢片或电工软铁或本领域任何其他材料制成。
进一步的，所述反射镜固定架106通过胶合固定的方式设置于线圈固定架104的周围，且使线圈固定架104对称分布；
所述反射镜101通过胶合的方式固定在反射镜固定架106的上方，且使反射镜固定架 106与反射镜101共中心轴。
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、采用动圈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是本发明的快速反射镜装置的结构示意图；
图2是本发明的快速反射镜装置取出反射镜及固定架后沿着水平面截取一部分后的结构示意图；
图3是图1的快速反射镜装置的单个线圈与磁体组件的结构示意图；
图4是图1的快速反射镜装置去除反射镜及反射镜固定架后的俯视图，具体显示了磁感线的方向；
图5是图1的快速反射镜装置的单个线圈与两组磁体组件的受力示意图。
附图标记：
100：音圈电机；101：反射镜；102：磁体；102a：上磁体；102b：下磁体；103、103a、103b、103c、103d、103e、103f、103g、103h：线圈；104、104a、104b、104c、104d、 104e、104f、104g、104h：线圈固定架；105：软磁材料；106：反射镜固定架；107：基座；10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h：磁感线方向；115a、115b、115c、115d、 115e、115f、115g、115h：永久磁体；150：整体磁感线方向；151、152：受力方向；。
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100组成的快速反射镜装置的结构图。该快速反射镜装置包括音圈电机100、线圈固定架104、基座107、反射镜固定架106以及反射镜101。音圈电机100通过粘合的方式连接到基座107，其中心轴与基座107同轴。音圈电机100包括固定磁体组件和可动线圈组件。固定线圈组件包括多个线圈103，,线圈103通过粘合的方式放置在用于固定线圈的线圈固定架104的凹槽内，且线圈固定架104位于线圈103 的径向向外的侧面。多个线圈103呈放射状均匀分布在圆周上，具体的，可以设置八组线圈103a、103b、103c、103d、103e、103f、103g、103h，如图4所示。线圈固定架104 用于固定该多组线圈103，使线圈103的外侧面位于同一圆周上，使其能够在洛伦兹力的驱动下共同运动，增大音圈电机的出力。反射镜101通过反射镜固定架106和线圈固定架 104固定连接于所述可动线圈组件上，随线圈组件的运动而上下摆动。反射镜由反射镜固定架支撑，设置于反射镜固定架的上方，可利用螺钉等紧固零件或通过粘合方式将其与线圈固定架组件固定连接，随音圈电机可动部分的摆动而摆动。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。
具体的，如图1所示音圈电机100为动圈式音圈电机，包括固定部分和可动部分。可动部分包括八个动子组件，每个动子组件包括线圈部分103a、103b、103c、103d、103e、103f、103g、103h和用于稳固线圈的线圈固定架104a、104b、104c、104d、104e、104f、 104g、104h。每个线圈103对应一个线圈固定架104，利用胶合的方式或者螺钉等紧固件连接于线圈固定架104，并通过线圈固定架104a、104b、104c、104d、104e、104f、104g、 104h使各个线圈103均匀对称的分布在反射镜固定架106的内圆周上。具体的，线圈固定架104远离中心的外侧面具有凸棱，所述反射镜固定架固定连接在所述凸棱上。
具体的，动圈式音圈电机100包括八组永久磁铁，沿中心轴对称地固定设置在所述基座107上，并分别与所述动子组件的缠绕线圈沿圆周依次间隔交替排列。每组永久磁铁通过粘合方式与形状相同的软磁材料105相结合固定，使软磁材料位于每组的两个磁体中间，且所述永久磁铁固定设置于所述基座107上。八组永久磁铁的中间还包括软磁材料 105，以使永久磁铁能够形成封闭的磁感线。永久磁铁的横截面为梯形，窄底面朝向中心、宽底面远离中心设置，相邻的两个永久磁铁的侧面平行。
采用动圈式音圈电机具有较好的响应时间和带宽，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应。与其它音圈电机相比，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。
基座107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是本发明的快速反射镜装置取出反射镜及固定架后沿着水平面截取一部分后的结构示意图；图3是图1的快速反射镜装置的单个线圈与磁体组件的结构示意图。图2去除上面部分的反射镜101及底座107后可以清楚地看到整个音圈电机内部的结构。每两个磁体组件的正中间包括一个线圈组件，每两个线圈组件中间包括一个磁体组件，线圈组件和磁体组件依次间隔交替地排列在反射镜固定架的内圆周上。从图3可以看到线圈与磁体组件的相对位置。
图4是图1的快速反射镜装置去除反射镜及反射镜固定架后的俯视图，具体显示了磁感线的方向。图中103a、103b、103c、103d、103e、103f、103g、103h为八个线圈，104a、104b、104c、104d、104e、104f、104g、104h为线圈固定架，八个梯形部分115a、115b、 115c、115d、115e、115f、115g、115h为音圈电机100下半部分的八个永久磁铁。
在图4所示的实施例中，位于每两个线圈组件103中间的所述永久磁铁具有相同的磁极方向，梯形左斜边为S极，右斜边为N极。具体的，磁体115a靠近103a的一侧为N 极，靠近103b的一侧为S极；磁体115b靠近103b的一侧为N极，靠近103c的一侧为S 极；磁体115c靠近103c的一侧为N极，靠近103d的一侧为S极；磁体115d靠近103d 的一侧为N极，靠近103e的一侧为S极；磁体115e靠近103e的一侧为N极，靠近103f 的一侧为S极；磁体115f靠近103f的一侧为N极，靠近103g的一侧为S极；磁体115g 靠近103g的一侧为N极，靠近103h的一侧为S极；磁体115h靠近103h的一侧为N极，靠近103a的一侧为S极。八个磁体组件115a、115b、115c、115d、115e、115f、115g、 115h的这种配置使其产生了磁感线10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h。给线圈通入方向为图中148所示的电流时，根据左手定则，磁体组件受力的方向为由纸内向外，即图一的音圈电机的可动部分与反射镜一起向上运动。
图5是图1的快速反射镜装置的单个线圈与两组磁体组件的受力示意图。从图中可以清楚地看到上磁体102a和下磁体102b的极性，即两个磁体的极性是相反的。线圈103 的上半部分通入向内的电流，会对磁体102a产生向上的力151；线圈103的下半部分通入向外的电流，会对磁体102a产生向上的力152。由于线圈中各点的电流大小相同，因此力151和152大小相同、方向相同，合力使可动部分磁体组件102向上运动。同理，改变线圈中电流的方向可使可动部分磁体组件102向下运动。
本发明公开的实施例永久磁铁可以为钕铁硼，但不限于用这个，也可以是本领域的任何材料。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，使所有线圈通入相同方向、相同大小的电流，可使反射镜组件随着线圈部分的运动而上下运动。八组线圈与16块磁体共同工作可使反射镜系统具有很大的出力及出力效率。
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、线圈固定架、基座、线圈固定架以及反射镜，通过所述音圈电机产生的磁力驱动可动部分的线圈组件，带动反射镜固定架以及反射镜在一维方向上进行往复运动，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；采用动圈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 (8)
1.一种快速反射镜，其特征在于：包括音圈电机(100)、线圈固定架(104)、基座(107)、反射镜固定架(106)以及反射镜(101)；
所述音圈电机(100)设置在上下两个基座(107)中间，且固定连接于所述基座(107)，该音圈电机(100)包括线圈组件和磁体组件；
所述线圈组件包括多个线圈(103)，均匀地呈放射状分布，每个线圈(103)对应设置在一个线圈固定架(104)朝向中心的凹槽内；
所述磁体组件包括多个磁体(102)，数量与所述线圈(103)一致，与所述多个线圈(103)间隔交替设置；
所述反射镜固定架(106)固定设置于所述线圈固定架(104)外侧上；
所述线圈组件为可动线圈组件；所述磁体组件为固定磁体组件；所述反射镜(101)通过线圈固定架(104)和反射镜固定架(106)固定设置于所述线圈组件(104)上，随所述线圈组件(104)的运动而上下移动；
所述线圈固定架(104)远离中心的外侧面具有凸棱，所述反射镜固定架(106)固定连接在所述凸棱上。
2.根据权利要求1所述的快速反射镜，其特征在于：每个所述磁体包括第一永久磁体、软磁材料和第二永久磁体，所述软磁材料设置于所述第一永久磁体和第二永久磁体之间。
3.根据权利要求2所述的快速反射镜，其特征在于：所述磁体的横截面为梯形，窄底面朝向中心、宽底面远离中心设置，相邻的两个磁体的侧面平行；所述磁体固定设置于所述基座(107)上。
4.根据权利要求2或3所述的快速反射镜，其特征在于：每组所述第一、第二永久磁铁通过粘合的方式与横截面形状相同的软磁材料(105)相结合固定，使软磁材料位于每组的两个磁体中间，且所述第二永久磁铁固定设置于所述基座(107)上。
5.根据权利要求4所述的快速反射镜，其特征在于：每个通过软磁材料(105)相隔开的第一、第二永久磁铁具有相反的磁极方向；沿着基座圆周均匀排列的多个磁体具有相同的磁极方向。
6.根据权利要求4所述的快速反射镜，其特征在于：相邻的两个磁体靠近的端面具有不同的磁极极性。
7.根据权利要求4所述的快速反射镜，其特征在于：所述软磁材料(105)由纳米晶磁性材料、坡莫合金、硅钢片或电工软铁制成。
8.根据权利要求1所述的快速反射镜，其特征在于：所述反射镜固定架(106)通过胶合固定的方式设置于线圈固定架(104)的周围，且使线圈固定架(104)对称分布；
所述反射镜(101)通过胶合的方式固定在反射镜固定架(106)的上方，且使反射镜固定架(106)与反射镜(101)共中心轴。
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