CN115097594B - 一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，包括:由上至下依次设置的反射镜、框架式柔性支撑组件、反射镜支架、位移测量传感器组件、音圈电机、和快反镜基座;反射镜和反射镜支架均由框架式柔性支撑组件支撑于快反镜基座上；框架式柔性支撑组件套设于反射镜支架的外侧，并支撑于快反镜基座上；位移测量传感器组件放置于反射镜支架下表面和快反镜基座上表面之间，并固设于快反镜基座上；音圈电机固设于反射镜支架和快反镜基座之间。采用了框架式的柔性支撑结构，在保证转角范围和精度的同时，提高了快反镜的内部空间利用率；实现了快反镜动子的重心与回转中心的高度一致，减小了动子的转动惯量，提高了抗冲击振动能力和工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，特别涉及一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置。
背景技术
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM），简称快反镜，是通过对反射镜的偏转方向进行精确控制，实现反射光束偏转角度高精度、高动态控制的重要组件，用于实现反射镜的“偏转-倾斜”方位角度的快速调整，具有结构紧凑、响应速度快、工作带宽高、指向精度高等优点。快反镜可广泛应用于天文望远镜、自适应光学、像移补偿、自由空间光通信、精密跟踪等领域，采用快反镜替代传统的框架结构，可改善系统的性能。上述领域对快速反射镜系统的定位精度、工作带宽、行程以及环境适应性都提出了较高的需求。
快反镜的驱动方式主要分为压电陶瓷（PZT）驱动和音圈电机（VCM）驱动两大类。其中PZT驱动器具有结构简单、体积小、分辨率高、响应快、出力大等优点，但是其行程相对较小，难以实现5个毫弧度以上的转角范围，并且抗冲击振动能力差。而音圈电机具有行程大、驱动电压低、抗冲击振动能力强等优点，因此广泛应用于国防军工等领域中。
音圈电机快反镜，一般包括四个音圈电机。在每个旋转轴方向上采用两个音圈电机形成一对力偶，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。传统快速反射镜通常采用动圈式的圆柱形音圈电机，即磁缸固定在快反镜基座上，线圈连接在反射镜支架上的电机结构。由于线圈部分的重量远小于磁缸部分的重量，有利于减小快反镜动子的转动惯量，提高系统的工作带宽。
但是传统的圆柱形音圈电机，由于线圈与磁缸之间的间隙较小，并且整体结构的尺寸较大，无法满足大口径大转角高带宽快反镜的要求。传统快速反射镜采用的十字轴式柔性支撑结构，只会引起弹性片的形变，因此具有转角范围大优点，能够实现最大±15°的转角范围，并且与传统刚性支撑结构相比，无摩擦损耗。但是这种支撑结构抗冲击振动能力较差，并且体积较大，造成快反镜装置内部空间不能有效地利用；并且由于快反镜动子的重心与回转中心不能保持一致，会提高快反镜动子的转动惯量，影响其稳定性和工作带宽。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，采用了框架式的柔性支撑结构，在保证转角范围和精度的同时，提高了快反镜的内部空间利用率，为电机及其它结构的设计提供了更大的空间；同时实现了快反镜动子的重心与回转中心的高度一致，有效减小了动子的转动惯量，有效提高了快反镜系统的抗冲击振动能力和工作带宽；采用了针对大口径、大转角以及高带宽的专用音圈电机，能够有效增大线圈与磁缸之间的间隙，从而提高快反镜的转角范围；并且有效减小了电机的尺寸大小，能够满足大口径大转角高带宽快反镜的要求。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，包括:由上至下依次设置的反射镜、框架式柔性支撑组件、反射镜支架、位移测量传感器组件、音圈电机、和快反镜基座;
所述反射镜和所述反射镜支架均由所述框架式柔性支撑组件支撑于所述快反镜基座上；
所述框架式柔性支撑组件套设于所述反射镜支架的外侧，并支撑于所述快反镜基座上；
所述位移测量传感器组件放置于所述反射镜支架下表面和所述快反镜基座上表面之间，并固设于所述快反镜基座上；
所述音圈电机固设于所述反射镜支架和所述快反镜基座之间。
进一步地，所述反射镜的材料为：铍、硅、石英、碳化硅、BK、蓝宝石或氟化镁。
进一步地，所述框架式柔性支撑组件包括：刚性支架和十字轴式柔性支撑结构；
所述反射镜与所述刚性支架固定；
所述十字轴式柔性支撑结构置于刚性支架内部，并固定于快反镜基座上。
进一步地，所述十字轴式柔性支撑结构有四个，并采用两两相对布置的结构置于所述反射镜的中心轴附近；
所述快反镜装置在二维平面上具有第一轴和第二轴两个旋转轴，所述第一轴和所述第二轴分别控制所述反射镜在一个维度上的偏转；
在所述音圈电机的驱动下，所述反射镜围绕所述第一轴和/或所述第二轴的方向倾斜。
进一步地，所述音圈电机有四个，并且与四个所述十字轴式柔性支撑结构相对应地布置于所述反射镜的中心轴附近；
所述音圈电机控制所述反射镜在所述第一轴和/或所述第二轴方向上的倾斜。
进一步地，所述音圈电机包括：固定部分和可动部分；
所述固定部分包括：磁缸组件；
所述可动部分包括：线圈组件；
所述磁缸组件固定在所述快反镜基座上表面的凹槽内；
所述线圈组件通过线圈架固定在所述反射镜支架的下表面上。
进一步地，每个所述磁缸组件包括：第一磁缸单元和第二磁缸单元；
所述第一磁缸单元和所述第二磁缸单元相对地固定到所述快反镜基座上表面的凹槽内；
所述线圈组件设置于所述第一磁缸单元和所述第二磁缸单元之间。
进一步地，所述第一磁缸单元和所述第二磁缸单元均包括：两个永磁体和导磁体；
所述两个永磁体以相反的极性，固设于所述导磁体的一侧。
进一步地，所述永磁体的材料为：钕铁硼稀土永磁材料；
所述导磁体的材料为：高磁导率的软磁材料。
进一步地，所述线圈组件包括：矩形空心线圈和线圈架；
所述线圈架固定并覆盖于所述矩形空心线圈的外表面，并与所述反射镜支架的下表面固定连接。
进一步地，所述位移测量传感器组件包括：四个位移测量传感器；
每个所述位移测量传感器分别间隔设置在四个所述音圈电机的线圈之间，并与所述快反镜基座的上表面固定连接。
进一步地，所述位移测量传感器采用电涡流传感器。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
采用了框架式的柔性支撑结构，在保证转角范围和精度的同时，提高了快反镜的内部空间利用率，为电机及其它结构的设计提供了更大的空间；同时实现了快反镜动子的重心与回转中心的高度一致，有效减小了动子的转动惯量，有效提高了快反镜系统的抗冲击振动能力和工作带宽；采用了针对大口径、大转角以及高带宽的专用音圈电机，能够有效增大线圈与磁缸之间的间隙，从而提高快反镜的转角范围；并且有效减小了电机的尺寸大小，能够满足大口径大转角高带宽快反镜的要求。
附图说明
图1为本发明公开的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置的爆炸结构示意图；
图2为本发明公开的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置的中心线剖面结构示意图；
图3为本发明公开的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置的俯视剖面结构示意图；
图4为本发明公开的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置的磁极分布、受力示意图。
附图标记：
1、反射镜；2、框架式柔性支撑组件；3、反射镜支架；4、位移测量传感器组件；5、音圈电机；6、快反镜基座；7、刚性支架；8、十字轴式柔性支撑结构；9、永磁体；10、导磁体；11、线圈；12、第一轴；13、第二轴。
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。
请参照图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，包括:由上至下依次设置的反射镜1、框架式柔性支撑组件2、反射镜支架3、位移测量传感器组件4、音圈电机5、和快反镜基座6;反射镜1和反射镜支架3均由框架式柔性支撑组件2支撑于快反镜基座6上；框架式柔性支撑组件2套设于反射镜支架3的外侧，并支撑于快反镜基座6上；位移测量传感器组件4放置于反射镜支架3下表面和快反镜基座6上表面之间，并固设于快反镜基座6上；音圈电机5固设于反射镜支架3和快反镜基座6之间。
可选的，反射镜1的材料为：铍、硅、石英、碳化硅、BK7、蓝宝石或氟化镁，材料表面可以通过加入特别是金、银等材质的镀层来提升性能。
进一步地，框架式柔性支撑组件2包括：刚性支架7和十字轴式柔性支撑结构8；反射镜1与刚性支架7固定；十字轴式柔性支撑结构8置于刚性支架7内部，并固定于快反镜基座6上。
进一步地，十字轴式柔性支撑结构8有四个，并采用两两相对布置的结构置于反射镜1的中心轴附近；快反镜装置在二维平面上具有第一轴12和第二轴13两个旋转轴，第一轴12和第二轴13分别控制反射镜1在一个维度上的偏转；在音圈电机5的驱动下，反射镜1围绕第一轴12和/或第二轴13的方向倾斜。
采用了框架式柔性支撑结构组件2，在保证反射镜1转角范围的同时，大大提高了支撑结构的抗冲击振动性能；保证了快反镜动子的重心与回转中心的一致，有利于提高快反镜系统的稳定性和工作带宽；并且占用空间小，使快反镜的内部结构更加紧凑。
进一步地，音圈电机5有四个，并且与四个十字轴式柔性支撑结构8相对应地布置于反射镜1的中心轴附近；音圈电机5控制反射镜1在第一轴12和/或第二轴13方向上的倾斜。
进一步地，音圈电机5包括：固定部分和可动部分；固定部分包括：磁缸组件；可动部分包括：线圈组件；磁缸组件固定在快反镜基座6上表面的凹槽内；线圈组件通过线圈架固定在反射镜支架3的下表面上。
进一步地，每个磁缸组件包括：第一磁缸单元和第二磁缸单元；第一磁缸单元和第二磁缸单元相对地固定到快反镜基座6上表面的凹槽内；线圈组件设置于第一磁缸单元和第二磁缸单元之间。
进一步地，第一磁缸单元和第二磁缸单元均包括：两个永磁体9和导磁体10；两个永磁体9以相反的极性，固设于导磁体10的一侧。
优选的，永磁体9采用高磁能积、高剩磁以及高矫顽力的钕铁硼稀土永磁材料制成；导磁体10采用高磁导率的软磁材料制成，使快反镜电机具有更轻的质量和更小的结构尺寸，能显著提高其加速性能。
进一步地，线圈组件包括：矩形空心线圈11和线圈架；线圈架固定并覆盖于矩形空心线圈11的外表面，并与反射镜支架3的下表面固定连接。
采用了针对大口径、大转角以及高带宽的专用音圈电机5，能够有效增大线圈组件与磁缸组件之间的间隙，并保证了气隙的磁场强度，从而提高快反镜的转角范围；能够有效减小电机的尺寸，使得快反镜的整体布局更加紧凑，能够满足大口径大转角高带宽快反镜的要求。
进一步地，位移测量传感器组件4包括：四个位移测量传感器；每个位移测量传感器分别间隔设置在四个音圈电机5的线圈11之间，并与快反镜基座6的上表面固定连接。
进一步地，位移测量传感器采用电涡流传感器。采用的电涡流传感器具有较强的环境适应性，能够在较宽的温度范围内工作，承受较强的冲击振动，并且具有测量精度高、响应快、结构简单的优势，是音圈电机快反镜中最常用的位移测量传感器。
采用将4个两两相对布置的电涡流传感器置于反射镜的中心轴附近，这两组传感器能够在两个运动轴方向上各形成一组差分信号，使得快反镜能够测量更大的转动角度，从而有效克服干扰带来的影响。
请参照图4，音圈电机磁极分布及受力示意图，每个音圈电机包括永磁体、导磁体以及线圈11。其中，永磁体由包括9a、9b、9c、9d在内的四块永磁体组成，导磁体由包括10a、10b在内的两块导磁体组成。图4中永磁体9a和9c的左侧为N极，右侧为S极，图4中永磁体9b和9d的左侧为S极，右侧为N极。当电流从线圈11的下方流入，上方流出时，基于洛伦兹力驱动原理，根据左手定则，判断出永磁体9a、9b、9c、9d对线圈11产生一个向下的电磁力，驱动线圈11向下运动，改变线圈11通入电流的大小和方向，其受到电磁力的大小和方向也会改变。因此，音圈电机5与框架式柔性支撑组件2能够带动反射镜沿着第一轴12和/或第二轴方向13，产生特定方向和角度的偏转。
本发明实施例旨在保护一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，包括:由上至下依次设置的反射镜、框架式柔性支撑组件、反射镜支架、位移测量传感器组件、音圈电机、和快反镜基座;反射镜和反射镜支架均由框架式柔性支撑组件支撑于快反镜基座上；框架式柔性支撑组件套设于反射镜支架的外侧，并支撑于快反镜基座上；位移测量传感器组件放置于反射镜支架下表面和快反镜基座上表面之间，并固设于快反镜基座上；音圈电机固设于反射镜支架和快反镜基座之间。上述技术方案具备如下效果：
采用了框架式的柔性支撑结构，在保证转角范围和精度的同时，提高了快反镜的内部空间利用率，为电机及其它结构的设计提供了更大的空间；同时实现了快反镜动子的重心与回转中心的高度一致，有效减小了动子的转动惯量，有效提高了快反镜系统的抗冲击振动能力和工作带宽；采用了针对大口径、大转角以及高带宽的专用音圈电机，能够有效增大线圈与磁缸之间的间隙，从而提高快反镜的转角范围；并且有效减小了电机的尺寸大小，能够满足大口径大转角高带宽快反镜的要求。
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 (7)
1.一种大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，包括:由上至下依次设置的反射镜(1)、框架式柔性支撑组件(2)、反射镜支架(3)、位移测量传感器组件(4)、音圈电机(5)、和快反镜基座(6)；
所述反射镜(1)和所述反射镜支架(3)均由所述框架式柔性支撑组件(2)支撑于所述快反镜基座(6)上；
所述框架式柔性支撑组件(2)套设于所述反射镜支架(3)的外侧，并支撑于所述快反镜基座(6)上；
所述位移测量传感器组件(4)放置于所述反射镜支架(3)下表面和所述快反镜基座(6)上表面之间，并固设于所述快反镜基座(6)上；
所述音圈电机(5)固设于所述反射镜支架(3)和所述快反镜基座(6)之间；
所述框架式柔性支撑组件(2)包括：刚性支架(7)和十字轴式柔性支撑结构(8)；
所述反射镜(1)与所述刚性支架(7)固定；
所述十字轴式柔性支撑结构(8)置于刚性支架(7)内部，并固定于快反镜基座(6)上；
所述十字轴式柔性支撑结构(8)有四个，并采用两两相对布置的结构置于所述反射镜(1)的中心轴附近；
所述快反镜装置在二维平面上具有第一轴(12)和第二轴(13)两个旋转轴，所述第一轴(12)和所述第二轴(13)分别控制所述反射镜(1)在一个维度上的偏转；
在所述音圈电机(5)的驱动下，所述反射镜(1)围绕所述第一轴(12)和/或所述第二轴(13)的方向倾斜；
所述音圈电机(5)包括：固定部分和可动部分，所述固定部分包括：磁缸组件，所述可动部分包括：线圈组件，所述磁缸组件固定在所述快反镜基座(6)上表面的凹槽内，所述线圈组件通过线圈架固定在所述反射镜支架(3)的下表面上；
每个所述磁缸组件包括：第一磁缸单元和第二磁缸单元，所述第一磁缸单元和所述第二磁缸单元相对地固定到所述快反镜基座(6)上表面的凹槽内，所述线圈组件设置于所述第一磁缸单元和所述第二磁缸单元之间；
所述第一磁缸单元和所述第二磁缸单元均包括：两个永磁体(9)和导磁体(10)，所述两个永磁体(9)以相反的极性，固设于所述导磁体(10)的一侧。
2.根据权利要求1所述的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，
所述反射镜(1)的材料为：铍、硅、石英、碳化硅、BK7、蓝宝石或氟化镁。
3.根据权利要求1所述的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，
所述音圈电机(5)有四个，并且与四个所述十字轴式柔性支撑结构(8)相对应地布置于所述反射镜(1)的中心轴附近；
所述音圈电机(5)控制所述反射镜(1)在所述第一轴(12)和/或所述第二轴(13)方向上的倾斜。
4.根据权利要求1所述的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，
所述永磁体(9)的材料为：钕铁硼稀土永磁材料；
所述导磁体(10)的材料为：高磁导率的软磁材料。
5.根据权利要求1所述的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，
所述线圈组件包括：矩形空心线圈(11)和线圈架；
所述线圈架固定并覆盖于所述矩形空心线圈(11)的外表面，并与所述反射镜支架(3)的下表面固定连接。
6.根据权利要求1-5任一所述的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，
所述位移测量传感器组件(4)包括：四个位移测量传感器；
每个所述位移测量传感器分别间隔设置在四个所述音圈电机(5)的线圈之间，并与所述快反镜基座(6)的上表面固定连接。
7.根据权利要求6所述的大口径大转角高带宽音圈电机快反镜装置，其特征在于，
所述位移测量传感器采用电涡流传感器。
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