CN112034613A

CN112034613A - 一种光路切换装置

Info

Publication number: CN112034613A
Application number: CN202010068188.9A
Authority: CN
Inventors: 万渊; 熊恒; 宋铁强; 方凡; 谢可迪; 周国威; 张晓曦; 侯霞
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明公开了一种光路切换装置，包括转子组件、定子组件和弹簧，转子组件包括反射镜组件、电机的输出轴、转动杆和磁钢，反射镜组件和转动杆分别固定在电机的输出轴上，定子组件包括电机的壳体、固定座、霍尔电路板、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第一垫块和第二垫块，电机的壳体和霍尔电路板均与固定座连接，霍尔电路板位于转动杆与固定座之间，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器安装在霍尔电路板上，固定座包括限位结构，第一垫块和第二垫块粘接在固定座的限位结构上，转子组件和定子组件通过弹簧进行柔性连接。本发明光路切换装置具有定位精度高、抗震性好、稳定性强等优点，能够满足激光雷达领域中对光路稳定、快速切换的使用需求。

Description

一种光路切换装置

技术领域

本发明属于精密光学机械结构设计技术领域，具体涉及一种光路切换装置，可以用于实现光学系统中光路的稳定切换。

背景技术

光路切换装置是用于光学系统中切换光路传播方向的精密光学装置，要求具有高可靠性、重复定位精度高、功耗低以及自锁性能强等特点。

随着空间激光雷达、空间激光通信技术的不断发展，在光机结构设计领域及空间环境中应用的精密光学机械机构越来越多，此类精密光学装置通常要求能够实现稳定、可靠的光路切换，并且在工作状态中具有自锁性能好的特点。另一方面空间环境的低温真空对装置的热控性能、抗震性能均有较高的要求。

因此，如何提供一种能够实现光路快速切换、重复定位精度高、抗震性好的精密光路切换装置是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种具有弹簧自锁机构的光路切换装置，可以满足激光雷达、空间激光通信领域中对光路实现稳定、快速切换的使用需求。

为达到上述目的，本发明技术方案如下：

本发明提供一种光路切换装置，包括转子组件、定子组件和弹簧，转子组件包括反射镜组件、电机的输出轴、转动杆和磁钢，反射镜组件和转动杆分别固定在电机的输出轴上，定子组件包括电机的壳体、固定座、霍尔电路板、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第一垫块和第二垫块，电机的壳体和霍尔电路板均与固定座连接，霍尔电路板位于转动杆与固定座之间，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器安装在霍尔电路板上，固定座包括限位结构，第一垫块和第二垫块粘接在固定座的限位结构上，转子组件和定子组件通过弹簧进行柔性连接。

优选地，电机是两端出轴电机。

优选地，固定座的限位结构可以限制转动杆的转动范围，当转动杆运动到极限位置时，第一垫块或第二垫块位于转动杆与固定座之间。

优选地，弹簧的两端通过限位螺母固定在转动杆和固定座上。

优选地，当转动杆运动到极限位置时，弹簧处于拉伸状态，转动杆受到由弹簧弹力产生的自锁力矩。

优选地，转动杆上粘接着磁钢，磁钢在电机运转时可以通过第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的正上方，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器可以控制电机的启动和停止。

优选地，反射镜组件包括反射镜镜架和反射镜，反射镜通过粘接固定在反射镜镜架上。

优选地，反射镜组件通过轴向螺钉和径向螺钉固定在电机的一端输出轴上，转动杆通过轴向螺钉和径向螺钉固定在电机的另一端输出轴上，霍尔电路板和电机的壳体通过连接螺钉固定在固定座上。

优选地，电机的两端输出轴采用切平面设计。

优选地，第一垫块和第二垫块是聚酰亚胺垫块。

本发明提供的一种光路切换装置相比现有技术具有的有益效果为：

(1)本发明提供一种具有弹簧自锁机构的光路切换装置，转子组件和定子组件之间通过弹簧以柔性方式进行连接，使得转子组件在运动极限的两个工作位置上，受到来自弹簧拉力产生的自锁力矩，保证了整体结构具有空间适用的抗震性能及结构稳定性能。

(2)本发明光路切换装置通过在距离限位结构一定位置处安装霍尔传感器，并且使转动杆上的磁钢在电机运转时可以通过霍尔传感器的正上方，通过霍尔传感器来控制电机的启停，可以减少电机的功耗，并能够监测转子组件是否在工作位置上。

(3)本发明光路切换装置通过机械限位的方式来限定转动杆的运动范围，并且采用垫块在转动杆与固定座之间隔绝方式，可以有效地避免由于电机驱动以及弹簧驱动下产生的冲击振动。

(4)本发明光路切换装置的电机输出轴采用切平面设计，反射镜镜架和电机轴、转动杆与电机轴都采用轴向和径向固定方式固定，可以有效地克服电机在冲击模式下对定位精度的影响较大的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种光路切换装置的轴侧视图。

图2为本发明实施例中的一种光路切换装置的正视图。

图3为本发明实施例中的一种光路切换装置的电机结构示意图。

图4为本发明实施例中的一种光路切换装置的转子组件结构示意图。

图5为本发明实施例中的一种光路切换装置的转子组件结构示意图。

图6为本发明实施例中的一种光路切换装置的定子组件结构示意图。

图7为本发明实施例中的一种光路切换装置的固定座的结构示意图。

图8为本发明实施例中的一种光路切换装置的电机、第一垫块、第二垫块与固定座连接方式示意图。

图9为本发明实施例中的一种光路切换装置的转动杆在工位A处受力分析示意图。

图10为本发明实施例中的一种光路切换装置的转动杆在工位A处时，反射镜组件的位置示意图。

图11为本发明实施例中的一种光路切换装置的转动杆在工位B处受力分析示意图。

图12为本发明实施例中的一种光路切换装置的转动杆在工位B处时，反射镜组件的位置示意图。

图中标号：1—电机；2—反射镜镜架；3—反射镜；4—固定座；5—霍尔电路板；6—第一霍尔传感器；7—第一垫块；8—转动杆；9—弹簧；10—转动杆轴向固定螺钉；11—转动杆径向固定螺钉；12—霍尔电路板固定螺钉；13—第二垫块；14—第二霍尔传感器；15—反射镜镜架轴向固定螺钉；16—反射镜镜架径向固定螺钉；17—电机固定螺钉；18—磁钢；19—弹簧限位螺母；111—电机的输出轴；112—电机的引出线；113—电机的外壳。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1、图2所示，本发明提供的一种光路切换装置，包括两端出轴电机1、反射镜镜架2、反射镜3、固定座4、霍尔电路板5、第一霍尔传感器6、第一垫块7、转动杆8、弹簧9、第二垫块13、第二霍尔传感器14、磁钢18、弹簧限位螺母19。反射镜3用胶粘接在反射镜镜架2上，组成反射镜组件。

两端出轴电机1的结构示意图如图3所示，包括电机的输出轴111、电机的引出线112和电机的壳体113，其中电机的输出轴两端采用切平面设计。

反射镜组件、电机的输出轴111、转动杆8和磁钢18组成装置的转子组件，如图4、图5所示。反射镜组件和转动杆分别固定在电机的输出轴上，反射镜组件通过反射镜镜座径向固定螺钉16固定在电机的一端输出轴切平面处，主要作用是对反射镜组件进行径向定位，并通过反射镜镜架轴向固定螺钉15进行轴向固定。这种用两个螺钉固定的方式可以提高反射镜的定位精度，防止电机在冲击模式下对转子定位精度的影响。转动杆8同样通过转动杆轴向固定螺钉10和转动杆径向固定螺钉11定位在电机的另一端输出轴上。由电机带动反射镜组件和转动杆转动，进而带动反射镜的光路进行切换。

电机的壳体113、固定座4、霍尔电路板5、第一霍尔传感器6、第二霍尔传感器14、第一垫块7和第二垫块13组成装置的定子组件，如图6所示。霍尔电路板5放置在转动杆8和固定座4之间，通过四个霍尔电路板固定螺钉12连接在固定座4上面。如图7、图8所示，电机1的法兰端面定位在固定座4的安装孔位上，通过4个对称分布的电机固定螺钉17固定。第一霍尔传感器6和第二霍尔传感器14安装在霍尔电路板5上，固定座包括伸出杆，是固定座的限位结构，第一垫块和第二垫块分别粘接在固定座的伸出杆处。固定座的限位结构可以限制转动杆的转动范围，当转动杆运动到极限位置时，第一垫块或第二垫块位于转动杆与固定座之间，隔绝转动杆与固定座，可以有效地避免由于电机驱动以及弹簧驱动下产生的冲击振动。

装置的转子组件和定子组件通过弹簧进行柔性连接，弹簧的两端通过弹簧限位螺母19固定在转动杆8和固定座4上，如图4中的C位置和图6中的D位置。

当转动杆运动到极限位置时，弹簧处于拉伸状态，转动杆受到由弹簧弹力产生的自锁力矩，保证了结构具有空间适用的抗震性能及结构稳定性能。

转动杆上还粘接着磁钢，磁钢在电机运转时可以通过第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的正上方，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器可以控制电机的启动和停止，可以减少电机的功耗，并能够监测转子组件是否在工作位置上。

在具体实施例中，第一垫块和第二垫块可以采用聚酰亚胺垫块。

本发明提供的一种光路切换装置的工作运转过程如下：

如图9所示，将一种光路切换装置安装在某个光学系统中，装置的转动杆处于初始工位A处。工位A处和工位B处分别位于装置固定座的机械限位处，是转动杆的运动极限位置。O₁为转动杆的回转中心，O₂为弹簧的回转中心，此时，反射镜的中心轴线位于水平方向，如图10所示。如图9所示，在初始工位A处，弹簧处于拉伸状态，弹簧的弹力F可分解为一个水平分力F_x和一个竖直分力F_y，水平分力F_x会使转子组件受到一个顺时针方向的自锁力矩，该力矩使得转动杆自锁在工位A处。当光学系统需要切换光路时，电机接收到来自伺服系统的驱动信号，电机对转动组件产生一个逆时针方向的驱动力矩，转动杆带动弹簧逆时针旋转。转动杆上粘接着一个磁钢，当磁钢在运动过程中经过第二霍尔传感器的正上方时，第二霍尔传感器会断开电机的通电开关，使得电机断电。此时，转子组件会在惯性以及弹簧的拉力下继续逆时针旋转，直到运动到装置固定座的机械限位B处停止，如图11所示。同理，转子组件在工位B处，同样受到弹簧的拉力F，并可以分解为一个沿水平方向的分力F_x和一个沿竖直方向的分力F_y，分力F_y会对转子组件产生一个逆时针方向的自锁力矩，该力矩可以使转动杆自锁在B处，可防止因外界的振动而导致反射镜偏转，从而提高了反射镜的定位精度。此时，反射镜的中心轴线位置变为竖直向上，如图12所示。以上过程使得反射镜的位置发生90度的偏转，从而实现了光路切换的过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，基于本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和没有做出创造性劳动的前提下，所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种光路切换装置，其特征在于，包括转子组件、定子组件和弹簧，

所述转子组件包括反射镜组件、电机的输出轴、转动杆和磁钢，所述反射镜组件和所述转动杆分别固定在所述电机的输出轴上，

所述定子组件包括电机的壳体、固定座、霍尔电路板、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第一垫块和第二垫块，所述电机的壳体和所述霍尔电路板均与所述固定座连接，所述霍尔电路板位于所述转动杆与固定座之间，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器安装在所述霍尔电路板上，所述固定座包括限位结构，所述第一垫块和第二垫块粘接在所述固定座的限位结构上，

所述转子组件和所述定子组件通过所述弹簧进行柔性连接。

2.根据权利要求1所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述电机是两端出轴电机。

3.根据权利要求2所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述固定座的限位结构可以限制所述转动杆的转动范围，当所述转动杆运动到极限位置时，所述第一垫块或第二垫块位于所述转动杆与固定座之间。

4.根据权利要求2所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述弹簧的两端通过限位螺母固定在所述转动杆和所述固定座上。

5.根据权利要求4所述的一种光路切换装置，其特征在于，当所述转动杆运动到极限位置时，所述弹簧处于拉伸状态，所述转动杆受到由弹簧弹力产生的自锁力矩。

6.根据权利要求2所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述转动杆上粘接着磁钢，所述磁钢在电机运转时可以通过所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器的正上方，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器可以控制所述电机的启动和停止。

7.根据权利要求2所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述反射镜组件包括反射镜镜架和反射镜，所述反射镜通过粘接固定在所述反射镜镜架上。

8.根据权利要求2所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述反射镜组件通过轴向螺钉和径向螺钉固定在电机的一端输出轴上，所述转动杆通过轴向螺钉和径向螺钉固定在电机的另一端输出轴上，所述霍尔电路板和所述电机的壳体通过连接螺钉固定在固定座上。

9.根据权利要求2所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述电机的两端输出轴采用切平面设计。

10.根据权利要求1所述的一种光路切换装置，其特征在于，所述第一垫块和所述第二垫块是聚酰亚胺垫块。