CN111427148A - 一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，包括反射镜、麦克斯韦力作动器、柔性支撑系统、角度检测系统和外框架组件，反射镜安装在反射镜支架的中心位置上，麦克斯韦力作动器包括环电枢和四个电磁单元，环电枢与反射镜支架固连，电磁单元由永磁体、线圈绕组和定子铁芯组成，四个电磁单元形成四个永磁磁路和八个交流磁路；柔性支撑系统主要包括挠性膜片和轴向挠性件，针对作动扭矩提供恢复扭矩以实现角度控制，挠性膜片在四个侧面支撑环电枢，轴向挠性件在下端中心位置支撑环电枢；角度检测系统中的四个非接触式电容位移传感器均布在四个方向，实时检测反射镜的转向角度，产生角度反馈控制和角度闭环控制。本发明具有高力密度，结构紧凑，且便于加工制造。

Description

一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜

技术领域

本发明属于用于精密光学平台的精密跟踪领域，具有垂直对称电磁结构和新型电枢结构,具体涉及一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜。

背景技术

快速控制偏摆镜作为光学系统中的关键性器件，已在自适应光学、精密跟踪、目标指向、光束控制及光通信等领域得到广泛应用，可装配在机电式翻转/倾斜系统中，其主要功能是实现平面反射镜的快速、高频转动，进而达到及时调整光束倾斜误差、校正光路传播方向和稳定光束的目的。市面上的快速镜大多采用压电陶瓷或音圈电机进行驱动，而压电陶瓷的行程很小，只有几十微米，驱动电压却高达几百伏；音圈电机的驱动电压为十几伏，但力密度较小。需寻求一种精度更高，结构更为紧凑的方法来设计快反镜，因此设计麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜具有一定的工程现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，结构紧凑，工程上易于实现，用于在目标和接收器之间控制光束方向，拥有更高的力密度，且工作范围更大，可应用在各种场合，为快反镜的发展提供了一种新思路。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，包括反射镜、麦克斯韦力作动器、柔性支撑系统、角度检测系统和外框架组件，其中：

所述反射镜固定在上反射镜支架上表面的中心位置；

所述麦克斯韦力作动器包括一个环电枢和四个电磁单元，每个电磁单元由上铁芯、下铁芯、半环铁芯、永磁体和线圈绕组组成，环电枢被封装上反射镜支架和下反射镜支架中间，上反射镜支架和下反射镜支架具有四个突起边，用于连接挠性膜片，下反射镜支架为传感器提供目标面；永磁体和上铁芯、下铁芯组成“C”型磁路，麦克斯韦力作动器有四个“C”型磁路，环绕环电枢均布，环电枢与上铁芯、下铁芯之间有空隙，永磁体产生永磁磁通，永磁磁通路径沿着永磁体、上铁芯、下铁芯和环电枢；线圈绕组缠绕在半环铁芯上，用于在气隙中产生偏磁通，在圆周方向上位于相邻的上铁芯和下铁芯之间，线圈绕组分别在半环铁芯中产生交流磁通，沿着环电枢和上铁芯或下铁芯的磁路分布；

所述柔性支撑系统包括挠性膜片和轴向挠性件，可支撑反射镜、上反射镜支架、下反射镜支架和环电枢组成的移动组件，挠性膜片内侧用环氧树脂粘接在移动组件上，四个边被夹持在上反射镜支架和下反射镜支架中间，外侧用螺钉固定在中下框体上，轴向挠性件上端连接到下反射镜支架下端的中心位置，下端紧固在下框体上；

所述角度检测系统包括传感器和传感器支架，四个传感器均布在下反射镜支架的下面，可实时检测反射镜的转向角度，传感器与下反射镜支架不接触，传感器穿过下框体，固定在传感器支架上，传感器支架连接到下框体中；

所述外框架组件分成四个部分，包括上框体、中上框体、中下框体和下框体，上框体和中上框体包裹支撑上层的线圈绕组和上铁芯，中下框体和下框体包裹支撑上层的线圈绕组、永磁体和下铁芯，此外，中下框体支撑挠性膜片，下框体支撑轴向挠性件和传感器支架。

其中，所述的传感器是非接触式位移传感器。

其中，所述的环电枢被紧密包裹在上反射镜支架和下反射镜支架中，上反射镜支架和下反射镜支架沿着贴合面对称，填充环电枢内环，壳体的周边在四个位置缩回，以露出用于执行器接口的环电枢的顶面和底面，用一层环氧树脂将环电枢、上反射镜支架、下反射镜支架和反射镜彼此粘合。

其中，所述半环铁芯是四分之一的圆环，两头接两个相同的“C”型磁路上，分为上下两层，上层用环氧树脂粘接在两个上铁芯之间，下层连接在两个下铁芯之间；线圈绕组缠绕在半环铁芯上，选择AWG30铜线，每个线圈绕组分成三组线圈，每组铜线有5股，每股铜线绕4圈，单股铜线里面包着11支铜导线。

其中，所述的传感器深入快速偏摆镜内部，通过导线连到外部的控制器中，基于裂箍方法设计传感器支架，夹持圆柱形的传感器并精确定位，用螺钉将传感器支架固定在下框体的下部，传感器穿过下框体但不与下框体接触。

其中，所述的外框架组件包括四个零件，设计圆柱轴阶进行配合，沿径向用螺钉紧固。

其中，所述的线圈绕组中的铜线为可粘结的电磁线，当加热成型的铜线时，导线绝缘层外的粘合剂会在线束之间流动并将它们粘结在一起。

其中，所述的轴向挠性件下端包括有四个M1.6内螺纹通孔；

传感器支架正面有四个M3内螺纹通孔，侧面有四个M1.6内螺纹；

挠性膜片轴向均布8个直径为3mm的通孔；

上框体、中上框体、中下框体和下框体分别在径向用十字槽螺钉固定；

第一连接螺钉为M.6×12的十字槽沉头螺钉；

第二连接螺钉为M2.5×8的内六角圆柱头螺钉；

第三连接螺钉为M3×4的内六角圆柱头螺钉；

第四连接螺钉为M1.6×4的内六角圆柱头螺钉；

第五连接螺钉为M2×4的内六角圆柱头螺钉。

本发明的优点在于：

(1)本发明形成了以麦克斯韦力作动器为中心的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，转动偏角精度较高的同时也具有麦克斯韦力的力密度高的优点；

(2)本发明结构简单紧凑，便于加工装配。

附图说明

图1为本发明的剖视轴测图；

图2为本发明的外观轴测图；

图3为本发明的外观仰视图；

图4为本发明的半剖装配图；

图5为本发明的移动组件的爆炸图；

图6为本发明的麦克斯韦力作动器的外观轴测图；

图7为本发明的柔性支撑系统、角度检测系统和外框架组件的剖视图；

图8为本发明的永磁磁通示意图；

图9为本发明的交流磁通示意图；

图10为本发明的总磁通示意图；

图1～10中附图标记含义为：

1─上框体 2─中上框体 3─半环铁芯

4─中下框体 5─挠性膜片 6─下框体

7─线圈绕组 8─轴向挠性件 9─传感器

10─传感器支架 11─下铁芯 12─下反射镜支架

13─环电枢 14─永磁体 15─上反射镜支架

16─上铁芯 17─反射镜 18─第一连接螺钉

19─第二连接螺钉 20─第三连接螺钉 21─第四连接螺钉

22─第五连接螺钉

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1-4所示，本发明一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，包括反射镜17、麦克斯韦力作动器、柔性支撑系统、角度检测系统和外框架组件。所述反射镜17固定在上反射镜支架15上表面的中心位置，上反射镜支架15和下反射镜支架12粘连到柔性支撑系统中的挠性膜片5上，下反射镜支架12为角度检测系统中的传感器9提供目标面；所述的外框架组件支撑着麦克斯韦力作动器、柔性支撑系统和角度检测系统，柔性支撑系统提供了相对于操作扭矩的恢复扭矩，从而实现了角度控制，角度检测系统固定在外框架组件上，用于检测镜片的运动。

如图5所示，所述的反射镜17固定在上反射镜支架15上表面的中心位置，上反射镜支架15和下反射镜支架12中间封装着环电枢13，环电枢13材料为12L14，导磁性较好，上反射镜支架15和下反射镜支架12材料为钛合金，轻便坚固且不导磁。反射镜17、上反射镜支架15、下反射镜支架12和环电枢13固连在一起，组成移动组件。

如图6所示，所述麦克斯韦力作动器包括一个环电枢13和四个电磁单元，四个电磁单元沿环电枢13均布，每个电磁单元包括上铁芯16、下铁芯11、半环铁芯3、永磁体14和线圈绕组7，形成四个永磁磁路和八个交流磁路。

永磁体14、上铁芯16、下铁芯11形成永磁磁路的一部分，侧面看形状为“C”型，上铁芯16和下铁芯11用环氧树脂分别粘接在永磁体14上下面，永磁体14选择NeFeB，型号为N42H，设置轴向朝上的方向为z轴正方向，沿z轴正方向充磁，永磁体14、上铁芯16、下铁芯11和环电枢13形成一个永磁磁路。

线圈绕组7缠绕在半环铁芯3上，一共有八组，在气隙中产生偏磁通，在圆周方向上位于相邻的上铁芯16之间或相邻的下铁芯11之间，线圈绕组7在半环铁芯3中产生交流磁通，半环铁芯3、环电枢13和相邻两个上铁芯16形成一个交流磁路，半环铁芯3、环电枢13和相邻两个下铁芯11形成一个交流磁路，线圈绕组7选择AWG30铜线，每个线圈绕组7分成三组铜线，每组铜线有5股线，每股铜线绕4圈，单股铜线里面包着11支铜导线，上铁芯16、下铁芯11和半环铁芯3均选择材料为12L14。

如图7所示，所述的柔性支撑系统、角度检测系统固定在外框架组件中。

柔性支撑系统包括挠性膜片5和轴向挠性件8，可支撑移动组件，挠性膜片5内侧用环氧树脂粘接在上反射镜支架15和下反射镜支架12中间，外侧用螺钉固定在中下框体4上，轴向挠性件8上端粘接下反射镜支架12中心，下端紧固在下框体6中，并提供很小的弯曲刚度和较高的轴向刚度，通过平衡轴向挠性件8和挠性膜片5之间的弹性，旋转中心得以固定，从而使光路长度恒定，柔性支撑系统在工作方向上较软，而在非工作方向上刚性较强，挠性膜片5材料为不锈钢材质薄片冲压而成。

角度检测系统包括传感器9和传感器支架10，四个传感器9均布在下反射镜支架12的下面，可实时检测反射镜17的转向角度，传感器9与下反射镜支架12不接触，传感器9穿过下框体6，固定在传感器支架10上，基于裂箍方法设计传感器支架10，传感器支架10连接到下框体6中，下框体6下端设计有传感器支架10轮廓的槽，如图3所示，以便于螺钉安装，传感器9是型号为capa NCDT 6110的非接触式位移传感器，为市购产品，根据安装尺寸要求设计。

外框架组件包括上框体1、中上框体2、中下框体4和下框体6，上框体1和中上框体2包裹支撑上层的线圈绕组7和上铁芯16，中下框体4和下框体6包裹支撑上层的线圈绕组7、永磁体14和下铁芯11，此外，中下框体4支撑挠性膜片5，下框体6支撑轴向挠性件8和传感器支架10，外框架组件中各个零件的材料为304不锈钢。

所述的轴向挠性件8上端与下反射镜支架12配合粘结、下端有四个M1.6内螺纹通孔；传感器支架10正面包括有四个M3内螺纹通孔，四个直径为6.2mm的通孔、侧面包括有四个M2内螺纹；挠性膜片5轴向均布8个直径为3mm的通孔；上框体1径向分布四个M1.6内螺纹孔，中上框体2靠近上边缘和下边缘的位置径向分别分布四个直径为1.8mm的沉头孔，中下框体4靠近上边缘的位置径向分布四个M1.6内螺纹孔，靠近下边缘的位置径向分布四个直径为1.8mm的沉头孔，下框体6靠近上边缘的位置径向分布四个M1.6内螺纹孔，上框体1和中上框体2之间、中上框体2和中下框体4之间、中下框体4和下框体6之间分别在径向用十字槽螺钉固定；第一连接螺钉18为M1.6×12的十字槽沉头螺钉、第二连接螺钉19为M2.5×8的内六角圆柱头螺钉、第三连接螺钉20为M3×4的内六角圆柱头螺钉、第四连接螺钉21为M1.6×4的内六角圆柱头螺钉、第五连接螺钉22为M2×4的内六角圆柱头螺钉，是市购产品。

本发明的装配过程为：参见图5，装配移动组件，将环电枢13、反射镜17、上反射镜支架15、下反射镜支架12和挠性膜片5用环氧树脂粘接，放置一旁待用，参见图6，将线圈绕组7缠绕在半环铁芯3上，加热定性，一共有8个，分成两组，一组与四个上铁芯16依次粘接，另一组与四个下铁芯11依次粘接，形成一个封闭的磁路圆环，放置一旁待用，参见图7，将传感器支架10用第三连接螺钉20固定到下框体6中，再将传感器9穿过传感器支架10和下框体6中间的圆孔中定位位置，待确定好位置后，用第五连接螺钉22连接锁紧，参见图1和图4，将一组磁路圆环粘接到永磁体14的下表面并放置到下框体6对应的凹槽里，接着扣上中下框体4，将轴向挠性件8用第四连接螺钉21固定到下框体6中，此时将粘接好的环电枢13等扣在轴向挠性件8上面的圆盘中，用环氧树脂粘接，接着用第二连接螺钉19将挠性膜片5固定到中下框体4的内侧平台上，接着扣上中上框体2，将另一组磁路圆环粘接到永磁体14上，扣上上框体1，最后用第一连接螺钉18分别固定上框体1、中上框体2、中下框体4和下框体6，这就是一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜的安装过程。

本发明的工作过程为：参见图8，永磁体14的极性，产生的永磁磁通沿“C”型磁路流传播，磁通量跳到顶部间隙，流过环电枢13，然后跳到底部间隙，到达“C”形铁心的下部内部，形成一个永磁磁通环路；因为环电枢13与顶部和底部间隙的长度、面积和磁通密度均相等，给线圈绕组7通电后，线圈绕组7会在半环铁芯3上产生具有标称磁通路径的磁场，参见图9，相对的一组缠绕在半环铁芯3上的线圈绕组7被关闭(无电流)，另外一组线圈绕组7激发交流磁通，并产生扭矩，参见图10，此时可观察到环电枢13的受力状况，朝一侧翻转，则于其固连的反射镜17跟随着翻转。

本发明将交流磁通和永磁磁通偏置，获得使反射镜17转动的电磁扭矩，结构小巧紧凑，力密度高，装配简单合理，有效补充了麦克斯韦力的驱动的快速偏摆镜的结构设计。

本发明未详细公开技术属于本领域技术人员公知常识。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：包括反射镜(17)、麦克斯韦力作动器、柔性支撑系统、角度检测系统和外框架组件；其中：

所述反射镜(17)固定在上反射镜支架(15)上表面的中心位置；

所述麦克斯韦力作动器包括一个环电枢(13)和四个电磁单元，每个电磁单元包括上铁芯(16)、下铁芯(11)、半环铁芯(3)、永磁体(14)和线圈绕组(7)，环电枢(13)被封装在上反射镜支架(15)和下反射镜支架(12)中间，上反射镜支架(15)和下反射镜支架(12)具有四个突起边，用于连接挠性膜片(5)，下反射镜支架(12)为传感器(9)提供目标面；永磁体(14)和上铁芯(16)、下铁芯(11)组成“C”型磁路，麦克斯韦力作动器包括四个“C”型磁路，环绕环电枢(13)均布，环电枢(13)与上铁芯(16)、下铁芯(11)之间有空隙，永磁体(14)产生永磁磁通，永磁磁通路径沿着永磁体(14)、上铁芯(16)、下铁芯(11)和环电枢(13)；线圈绕组(7)缠绕在半环铁芯(3)上，用于在气隙中产生偏磁通，在圆周方向上位于相邻的上铁芯(16)和下铁芯(11)之间，线圈绕组(7)分别在半环铁芯(3)中产生交流磁通，沿着环电枢(13)和上铁芯(16)或下铁芯(11)的磁路分布；

所述柔性支撑系统包括挠性膜片(5)和轴向挠性件(8)，用于支撑反射镜(17)、上反射镜支架(15)、下反射镜支架(12)和环电枢(13)组成的移动组件，挠性膜片(5)内侧用环氧树脂粘接在移动组件上，四个边被夹持在上反射镜支架(15)和下反射镜支架(12)中间，外侧用螺钉固定在中下框体(4)上，轴向挠性件(8)上端连接到下反射镜支架(12)下端的中心位置，下端紧固在下框体(6)上；

所述角度检测系统包括传感器(9)和传感器支架(10)，四个传感器(9)均布在下反射镜支架(12)的下面，用于实时检测反射镜(17)的转向角度，传感器(9)与下反射镜支架(12)不接触，传感器(9)穿过下框体(6)，固定在传感器支架(10)上，传感器支架(10)连接到下框体(6)中；

所述外框架组件分成四个部分，包括上框体(1)、中上框体(2)、中下框体(4)和下框体(6)，上框体(1)和中上框体(2)包裹支撑上层的线圈绕组(7)和上铁芯(16)，中下框体(4)和下框体(6)包裹支撑上层的线圈绕组(7)、永磁体(14)和下铁芯(11)，中下框体(4)支撑挠性膜片(5)，下框体(6)支撑轴向挠性件(8)和传感器支架(10)。

2.根据权利要求1所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：所述的传感器(9)是为非接触式位移传感器。

3.根据权利要求1所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：

所述的环电枢(13)被紧密包裹在上反射镜支架(15)和下反射镜支架(12)中，上反射镜支架(15)和下反射镜支架(12)沿着贴合面对称，填充环电枢(13)内环，壳体的周边在四个位置缩回，以露出用于执行器接口的环电枢(13)的顶面和底面，用一层环氧树脂将环电枢(13)，上反射镜支架(15)、下反射镜支架(12)和反射镜(17)彼此粘合。

4.根据权利要求1所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：所述半环铁芯(3)是四分之一的圆环，两头接两个相同的“C”型磁路上，分为上下两层，上层用环氧树脂粘接在两个上铁芯(16)之间，下层粘接在两个下铁芯(11)之间；线圈绕组(7)缠绕在半环铁芯(3)上，线圈绕组(7)选择AWG30铜线，每个线圈绕组(7)分成三组铜线，每组铜线有5股，每股铜线绕4圈，单股线里面包着11支铜导线。

5.根据权利要求1所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：所述的传感器(9)深入快速偏摆镜内部，通过导线连到外部的控制器中，基于裂箍方法设计传感器支架(10)，夹持圆柱形的传感器(9)并定位，用螺钉将传感器支架(10)固定在下框体(6)的下部，传感器(9)穿过下框体(6)但不与下框体(6)接触。

6.根据权利要求1所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：所述的外框架组件包括四个零件，设计圆柱轴阶进行配合，沿径向用螺钉紧固。

7.根据权利要求1或4所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：所述的线圈绕组(7)中的铜导线为可粘结的电磁线，当加热成型的铜线时，导线绝缘层外的粘合剂会在线束之间流动并将它们粘结在一起。

8.根据权利要求1所述的一种麦克斯韦力驱动的快速偏摆镜，其特征在于：所述的轴向挠性件(8)下端包括有四个M1.6内螺纹通孔；

传感器支架(10)正面有四个M3内螺纹通孔，侧面有四个M2内螺纹；

挠性膜片(5)轴向均布8个直径为3mm的通孔；

第一连接螺钉(18)为M1.6×12的十字槽沉头螺钉；

第二连接螺钉(19)为M2.5×8的内六角圆柱头螺钉；

第三连接螺钉(20)为M3×4的内六角圆柱头螺钉；

第四连接螺钉(21)为M1.6×4的内六角圆柱头螺钉；

第五连接螺钉(22)为M2×4的内六角圆柱头螺钉。

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