CN117784398A - 一种二维大角度动磁式快反镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于反射镜技术领域，具体涉及一种二维大角度动磁式快反镜，包括：反射镜组件、柔性支撑组件、动磁式电磁驱动组件、电涡流传感器组件和壳体。所述反射镜组件设置于所述柔性支撑组件顶部，用于反射光束，所述柔性支撑组件设置在所述壳体内部中心位置，所述动磁式电磁驱动组件设置于所述壳体内部中心位置的四周并用于驱动所述反射镜组件在设定角度内偏转，所述电涡流传感器组件设置于所述壳体内部并用于测量所述反射镜组件的角度偏转。本发明的二维大角度动磁式快反镜，能够使反射镜获得较大的转角范围，提高测量精度，同时不会造成反射镜升温。

Description

一种二维大角度动磁式快反镜

技术领域

本发明属于反射镜技术领域，具体涉及一种二维大角度动磁式快反镜。

背景技术

快速控制反射镜，简称快反镜，是控制反射镜的转动从而使反射光束在一维或二维方向上，对光传播方向进行高精度、高动态的控制，实现光束在所需转角范围内的快速精确指向，应用在激光制导、光电侦查、光电对抗、激光武器、空间探测、激光雷达、激光通信等领域中实现系统精密跟踪、稳瞄、稳像等。采用快反镜替代传统的框架结构，可改善系统的性能。上述领域通常要求快反镜具有较高的工作带宽、角分辨率、指向精度和转角范围，对系统的环境适应性等也有很高要求。

当前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。PZT驱动的优点是结构简单、体积小、分辨率高、响应快、推力大、发热少、无杂散电磁场，缺点是其行程相对较小，只有几十微米，用于快反镜中无法实现较大转角范围，此外，PZT驱动还存在迟滞特性、耐低温性能差的缺点。音圈电机是基于洛伦兹力原理制造的一种驱动电机，其工作原理是通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。通常由磁缸、线圈等组成，具有运动行程大、驱动电压低等优点。采用VCM驱动，可使快反镜系统转角范围大、承载能力强，且对振动、冲击等工作环境具有较强的适应性。在国防军工领域的系统中，大多采用音圈电机驱动的快反镜。

快反镜采用音圈电机时，根据运动部件的不同分为动磁式和动圈式。动圈式设计由于以线圈作为运动部件，由于线圈部分相对重量较轻，从而使转动组件的转动惯量较小，可以提高快反镜的工作带宽。但是动圈式设计有两个缺点：一是线圈产生的热量会传递到反射镜架上，容易间接地影响反射镜面型精度；二是会形成线缆拖拽，会某种程度影响反射镜的控制，且长时间工作后容易出现线缆断裂的问题。

传统快反镜传感器探头采用直接探测镜面距离实现角度反馈，由于安装空间受限、探头探测距离受限，无法实现大角度偏转，最多1到2°。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的是提供一种二维大角度动磁式快反镜，能够使反射镜获得较大的转角范围，提高测量精度，同时不会造成反射镜升温。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种二维大角度动磁式快反镜，包括：反射镜组件、柔性支撑组件、动磁式电磁驱动组件、电涡流传感器组件和壳体；

所述反射镜组件设置于所述柔性支撑组件顶部，用于反射光束，所述柔性支撑组件设置在所述壳体内部中心位置，所述动磁式电磁驱动组件设置于所述壳体内部中心位置的四周并用于驱动所述反射镜组件在设定角度内偏转，所述电涡流传感器组件设置于所述壳体内部并用于测量所述反射镜组件的角度偏转；

所述电涡流传感器组件包括多个电涡流传感器探头和多个曲面挡片，所述电涡流传感器探头与所述曲面挡片一一对应设置，每个所述曲面挡片的顶部与所述反射镜组件连接，每个所述曲面挡片的底部设置在所述壳体内部；

当所述反射镜组件呈现二维摆动时，至少一部分所述曲面挡片位置发生变化并与对应的所述电涡流传感器探头的距离发生变化，所述电涡流传感器探头用于检测对应的所述曲面挡片与其自身之间的距离。

所述电涡流传感器探头内嵌固定于所述壳体中，所述曲面挡片的上端内嵌固定在所述反射镜组件的底部，所述曲面挡片的下端固定在所述壳体形成的预设凹槽中。

所述反射镜组件包括一体设置的反射镜镜片和镜托，所述反射镜镜片由所述镜托表面打磨而成。

所述反射镜镜片的材料为铍、硅、熔融石英、石英或SiC。

所述动磁式电磁驱动组件包括多个磁铁块和多个线圈，所述多个线圈分别内嵌固定于所述壳体中并位于所述柔性支撑组件的四周，所述磁铁块一一对应地设置于所述线圈内，多个所述磁铁块的顶部与所述镜托的底部相连接。

所述柔性支撑组件包括至少一个十字交叉式柔性铰链；

当所述十字交叉式柔性铰链的数量为一个时，所述十字交叉式柔性铰链的顶部与所述反射镜组件的底部连接，所述十字交叉式柔性铰链的底部设置在所述壳体内部中心位置；

当所述十字交叉式柔性铰链的数量为多个时，多个所述十字交叉式柔性铰链层叠设置，位于最上层的所述十字交叉式柔性铰链的顶部与所述反射镜组件的底部连接，位于最下层的所述十字交叉式柔性铰链的底部设置在所述壳体内部中心位置。

所述柔性支撑组件还包括支撑块，所述支撑块内嵌固定在在壳体中心位置并用于支撑所述十字交叉式柔性铰链。

所述十字交叉式柔性铰链的材料为钛合金、铍青铜或不锈钢。

所述支撑块采用非导磁材料制成。

所述电涡流传感器组件还包括电涡流传感器电路板，所述电涡流传感器电路板安装在所述壳体的内部并与所述电涡流传感器探头连接。

（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：

本发明提供了一种二维大角度动磁式快反镜，通过将所述动磁式电磁驱动组件和所述电涡流传感器组件设置于所述反射镜组件下方，减小了快反镜的整体空间，能够使反射镜获得较大的转角范围。

通过设置电涡流传感器探头和曲面挡片，当反射镜组件呈现二维摆动时，曲面挡片与对应的电涡流传感器探头的距离发生变化，对立的两个电涡流传感器探头对相对应的曲面挡片之间的距离进行差分测量，能有效的减小测量误差，提高测量精度，相比较于通过电涡流传感器探头直接测量与反射镜镜片的距离的方式，能够有效利用电涡流传感器探头的探测距离，实现更大转角。

通过采用动磁式电磁驱动组件，无线缆拖拽和断裂担忧，同时不会造成反射镜升温。

附图说明

图1是本发明的二维大角度动磁式快反镜的整体结构示意图；

图2是本发明的二维大角度动磁式快反镜的剖视图；

图3是本发明的二维大角度动磁式快反镜的三维立体图;

图4是本发明的二维大角度动磁式快反镜中心位置的磁路分部图；

图5是本发明的二维大角度动磁式快反镜偏转5°时的磁路分部图；

图6是本发明的二维大角度动磁式快反镜±5°范围内的出力曲线图。

附图标记：

1-反射镜组件；11-反射镜镜片；12-镜托；2-柔性支撑组件；21-十字交叉式柔性铰链；22-支撑块；3-动磁式电磁驱动组件；31-磁铁块；32-线圈；4-电涡流传感器组件；41-电涡流传感器探头；42-曲面挡片；5-壳体。

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。

本发明提供一种二维大角度动磁式快反镜，用以解决传统快反镜无法实现大角度偏转，测量精度较低，反射镜镜片容易升温等问题。

基于背景技术指出的传统快反镜采用音圈电机时，根据运动部件的不同分为动磁式和动圈式。动圈式设计由于以线圈作为运动部件，由于线圈部分相对重量较轻，从而使转动组件的转动惯量较小，可以提高快反镜的工作带宽。但是动圈式设计有两个缺点：一是线圈产生的热量会传递到反射镜架上，容易间接地影响反射镜面型精度；二是会形成线缆拖拽，会某种程度影响反射镜的控制，且长时间工作后容易出现线缆断裂，以及传统快反镜传感器探头采用直接探测镜面距离实现角度反馈，由于安装空间受限、探头探测距离受限，无法实现大角度偏转，最多1到2°的问题。

如图1所示，本发明的二维大角度动磁式快反镜，包括反射镜组件1、柔性支撑组件2、动磁式电磁驱动组件3、电涡流传感器组件4和壳体5.

反射镜组件1设置于柔性支撑组件2顶部，用于反射光束；

柔性支撑组件2设置在壳体5内部中心位置；

动磁式电磁驱动组件3设置于壳体5内部中心位置的四周，用于驱动反射镜组件1在设定角度内偏转；

电涡流传感器组件4设置于壳体5内部，用于测量反射镜组件1的角度偏转。

反射镜组件1包括一体设置的反射镜镜片11和镜托12。

优选地，反射镜镜片11由镜托12表面打磨而成，反射镜镜片11和镜托12的一体化设置，使得反射镜组件1整体轻量化，较小的出力也可以使其实现在设定角度内偏转。

优选地，反射镜镜片11的材料为铍、硅、熔融石英、石英或SiC。

优选地，镜托12的材料为铍、硅、熔融石英、石英或SiC。

优选地，反射镜镜片11表面可以涂有金、保护银。

优选地，反射镜镜片11表面可以设置为介电布拉格镜结构。

在一种实施例中，反射镜镜片11与镜托2可以采用分体设置，反射镜镜片1内嵌于镜托2上方的凹槽镜孔中。

本发明的二维大角度动磁式快反镜的反射镜镜片11上方无任何结构，可以替换光电系统中传统的轴承振镜。

柔性支撑组件2包括至少一个十字交叉式柔性铰链21和支撑块22，支撑块22内嵌固定在在壳体5中心位置，用于支撑十字交叉式柔性铰链21，从而支撑和限制反射镜组件1的摆动；

当十字交叉式柔性铰链21的数量为一个时，十字交叉式柔性铰链21的顶部与反射镜组件1的底部连接，十字交叉式柔性铰链21的底部设置在支撑块22的顶部；

当十字交叉式柔性铰链21的数量为多个时，多个十字交叉式柔性铰链21层叠设置，位于最上层的十字交叉式柔性铰链21的顶部与反射镜组件1的底部连接，位于最下层的十字交叉式柔性铰链21的底部设置在支撑块22的顶部；

在一种实施例中，柔性支撑组件2中设置有一个十字交叉式柔性铰链21，十字交叉式柔性铰链21的顶部与镜托2下端设置的柔性铰链孔通过螺栓连接，十字交叉式柔性铰链21的底部与支撑块22顶部设置的柔性铰链孔通过螺栓连接。

优选地，十字交叉式柔性铰链21包括上下两个连接片以及设置在两个连接片之间的两对或四对弹性片，每一对弹性片中的两个弹性片相互垂直，采用十字交叉式柔性铰链21用于实现反射镜组件1在±5°范围的设定角度偏转。

优选地，每个弹性片的上端与位于上面的连接片边缘中心位置通过焊接连接，每个弹性片的下端与位于下面的连接片边缘中心位置通过焊接连接。

优选地，当两个连接片之间设置有两对弹性片时，两对弹性片对称设置在连接片的一对侧边。

优选地，如图1所示，当两个连接片之间设置有四对弹性片时，四对弹性片两两对称设置在连接片的四周。

优选地，十字交叉式柔性铰链21的材料为钛合金、铍青铜或不锈钢，使十字交叉式柔性铰链21在保证弹性的同时拥有一定的刚度。

优选地，十字交叉式柔性铰链21中的“十字”指的是互相垂直的弹性片。

优选地，支撑块22采用非导磁材料制成。

采用柔性支撑设计，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性。

在一种实施例中，采用两个十字交叉式柔性铰链21组合作为快反镜的柔性支撑，可使快反镜的最大转角范围达到±10°。

动磁式电磁驱动组件3包括多个磁铁块31和多个线圈32，多个线圈32分别内嵌固定于壳体5中并位于柔性支撑组件2的四周，磁铁块31一一对应地设置于线圈32内，多个磁铁块31的顶部与镜托12的底部相连接。

优选地，磁铁块31的顶部与镜托12的底部采用注胶连接。

在一种实施例中，动磁式电磁驱动组件3包括四个磁铁块31和四个线圈32，四个磁铁块31分别设置在镜托12的四边中心位置，四个线圈32分别内嵌固定在壳体5中，与柔性支撑组件2成轴对称设置；

磁铁块31一一对应地设置于线圈32内，使得整个动磁式电磁驱动组件3的布置方式更加紧密，磁通密度更高，同等情况下能够实现更高的出力以及速度。

优选地，磁铁块31外围采用稀土永磁材料制成。

优选地，线圈32可采用机器绕制，效率高，填充率高，保证线圈的出力效果更佳，适合用于快反镜的扫描补偿。

磁铁块31与线圈32不接触，散热好，能够承受更高的功率。

动磁式电磁驱动组件3的设置，无线缆拖拽和断裂担忧，节省了占位空间，使结构轻量化且便于出线。

电涡流传感器组件4包括多个电涡流传感器探头41和多个曲面挡片42，电涡流传感器探头41与曲面挡片42一一对应设置，每个曲面挡片42的顶部与反射镜组件1连接，每个曲面挡片42的底部设置在壳体5内部；

优选地，曲面挡片42的上端内嵌固定在反射镜组件1的底部的预设凹槽中，曲面挡片42的下端固定在壳体5形成的预设凹槽中；

优选地，电涡流传感器探头41与曲面挡片42设置在两个线圈32之间。

电涡流传感器组件4还包括电涡流传感器电路板，电涡流传感器电路板安装在壳体5的内部并与电涡流传感器探头41连接，用于传递电涡流传感器信号。

当反射镜组件1呈现二维摆动时，至少一部分曲面挡片42位置发生变化并与对应的电涡流传感器探头41的距离发生变化，电涡流传感器探头41用于检测对应的曲面挡片42与其自身之间的距离。

在一种实施例中，如图1和图3所示，电涡流传感器组件4包括两对电涡流传感器探头41和两对曲面挡片42，电涡流传感器探头41与曲面挡片42一一对应设置，两对电涡流传感器探头41呈十字分布在柔性支撑组件2的四周，曲面挡片42设置在电涡流传感器探头41一侧；

如图3所示，当动磁式电磁驱动组件3驱动反射镜组件1以XY轴为中心轴进行二维摆动时，相对立的曲面挡片42的位置发生改变，从而与所对应的两个电涡流传感器探头41的距离发生改变，对立的两个电涡流传感器探头41对相对应的曲面挡片42之间的距离进行差分测量，能有效的减小测量误差。

采用侧向测量，相比较于通过电涡流传感器探头41直接测量与反射镜镜片11的距离的方式，此方法能够有效利用电涡流传感器探头41的探测距离，实现更大转角。

电涡流传感器组件4设置在反射镜组件1下方，减小了快反镜的整体空间，能够适用于空间受约束的场合。

如图4所示，可看出，要实现反射镜组件1的角度偏转，相对的动磁式电磁驱动组件3的出力方向需相反，根据洛伦兹力原理的左手定则，相对的两线圈32的电流方向也需要相反。

如图5所示，可以看出，在反射镜组件1的角度偏转过程中，随着偏转角度的增大，一侧的磁铁块31逐渐远离线圈32覆盖的范围，因此出力会逐渐减小，而另一侧的磁铁块31逐渐深入线圈32覆盖的范围，出力会逐渐增大，因此随着反射镜组件1偏转角度的逐渐增大，当磁铁块31逐渐远离线圈时，损失的出力更大，会使电机的出力受到影响，因此通过仿真得到对立的两侧动磁式电磁驱动组件3合力变化反映到如图6所示的出力曲线中，可以看出随着反射镜组件1偏转角度的增大，动磁式电磁驱动组件3的出力逐渐减小，但是在±5°的大角度范围内仍然具有足够的出力，使得反射镜组件1能够在±5°的范围内实现快速偏转。

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。

以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，包括：反射镜组件（1）、柔性支撑组件（2）、动磁式电磁驱动组件（3）、电涡流传感器组件（4）和壳体（5）；

所述反射镜组件（1）设置于所述柔性支撑组件（2）顶部，用于反射光束，所述柔性支撑组件（2）设置在所述壳体（5）内部中心位置，所述动磁式电磁驱动组件（3）设置于所述壳体（5）内部中心位置的四周并用于驱动所述反射镜组件（1）在设定角度内偏转，所述电涡流传感器组件（4）设置于所述壳体（5）内部并用于测量所述反射镜组件（1）的角度偏转；

所述电涡流传感器组件（4）包括多个电涡流传感器探头（41）和多个曲面挡片（42），所述电涡流传感器探头（41）与所述曲面挡片（42）一一对应设置，每个所述曲面挡片（42）的顶部与所述反射镜组件（1）连接，每个所述曲面挡片（42）的底部设置在所述壳体（5）内部；

当所述反射镜组件（1）呈现二维摆动时，至少一部分所述曲面挡片（42）位置发生变化并与对应的所述电涡流传感器探头（41）的距离发生变化，所述电涡流传感器探头（41）用于检测对应的所述曲面挡片（42）与其自身之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述电涡流传感器探头（41）内嵌固定于所述壳体（5）中，所述曲面挡片（42）的上端内嵌固定在所述反射镜组件（1）的底部，所述曲面挡片（42）的下端固定在所述壳体（5）形成的预设凹槽中。

3.根据权利要求1所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述反射镜组件（1）包括一体设置的反射镜镜片（11）和镜托（12），所述反射镜镜片（11）由所述镜托（12）表面打磨而成。

4.根据权利要求3所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述反射镜镜片（11）的材料为铍、硅、熔融石英、石英或SiC。

5.根据权利要求3所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述动磁式电磁驱动组件（3）包括多个磁铁块（31）和多个线圈（32），所述多个线圈（32）分别内嵌固定于所述壳体（5）中并位于所述柔性支撑组件（2）的四周，所述磁铁块（31）一一对应地设置于所述线圈（32）内，多个所述磁铁块（31）的顶部与所述镜托（12）的底部相连接。

6.根据权利要求1所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述柔性支撑组件（2）包括至少一个十字交叉式柔性铰链（21）；

当所述十字交叉式柔性铰链（21）的数量为一个时，所述十字交叉式柔性铰链（21）的顶部与所述反射镜组件（1）的底部连接，所述十字交叉式柔性铰链（21）的底部设置在所述壳体（5）内部中心位置；

当所述十字交叉式柔性铰链（21）的数量为多个时，多个所述十字交叉式柔性铰链（21）层叠设置，位于最上层的所述十字交叉式柔性铰链（21）的顶部与所述反射镜组件（1）的底部连接，位于最下层的所述十字交叉式柔性铰链（21）的底部设置在所述壳体（5）内部中心位置。

7.据权利要求6所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述柔性支撑组件（2）还包括支撑块（22），所述支撑块（22）内嵌固定在在壳体（5）中心位置并用于支撑所述十字交叉式柔性铰链（21）。

8.根据权利要求6所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述十字交叉式柔性铰链（21）的材料为钛合金、铍青铜或不锈钢。

9.根据权利要求7所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述支撑块（22）采用非导磁材料制成。

10.根据权利要求1所述的一种二维大角度动磁式快反镜，其特征在于，所述电涡流传感器组件（4）还包括电涡流传感器电路板，所述电涡流传感器电路板安装在所述壳体（5）的内部并与所述电涡流传感器探头（41）连接。