LT5860B

LT5860B - Piezoelectric laser precision positioning transmission

Info

Publication number: LT5860B
Application number: LT2010097A
Authority: LT
Inventors: Ramutis Bansevičius; Algimantas Bubulis; Vytautas JURĖNAS; Sigita NAVICKAITĖ; Viktorija MAČIUKIENĖ; Valdas GRIGALIŪNAS
Original assignee: Kauno technologijos universitetas
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-08-27
Also published as: LT2010097A

Abstract

The invention relates to instruments, particularly to optical elements for control laser beam. Piezoelectric laser precision positioning transmission comprising a housing (1), motion mechanism and a control unit and two permanent magnets (4) are fixed rigidly to the upper part of a housing (1), and the motion mechanism consists of two piezoelements (2, 3), which are fixed at their vibration nodes to opposite inner walls of a housing (1) on which are mounted mobile unit (5), operated by electromagnetic coil (7) and to which one end is attached rigidly laser beam cover (6). In addition, the mobile unit is made of terfenol - D magnetostrictive material.

Description

Išradimas yra priskiriamas prietaisų sričiai, konkrečiai optinių elementų lazerio spindulio valdymo sričiai.The invention relates to the field of devices, in particular to the field of laser beam control of optical elements.

Yra žinoma tiesialinijinio judesio pjezoelektrinė pavara, kurios veikimas paremtas dviejų aktyvių elementų kontakto zonoje būdu (žiūr. TSRS aut. liud. Nr. 541663, 1975). Šioje konstrukcijoje, abiejose kontaktuojančiose grandyse, pagamintose iš pjezoelektrinės medžiagos, iš kurių viena nejudamai įtvirtinta virpesių mazge, o kita - galinti atlikti slenkamąjį judesį, yra žadinami rezonansiniai virpesiai, kurių kryptys yra statmenos viena kitai. Dėl šio virpesių statmenumo, kontakto zonoje generuojami aukšto dažnio įstriži smūgiai, dėl kurių judanti grandis įgauna slenkamąjį judesį.A linear linear motion piezoelectric actuator is known whose operation is based on the contact of two active elements in the contact zone (see USSR Certificate No. 541663, 1975). In this design, both contact circuits made of piezoelectric material, one fixed in the oscillation unit and the other capable of performing a sliding motion, are excited by resonant oscillations in directions perpendicular to each other. Because of this oscillation perpendicularity, high frequency oblique shocks are generated in the contact area, which causes the moving link to acquire a sliding motion.

Nurodyto įrenginio konstrukcijoje abi rezonuojančios grandys pagamintos iŠ pjezoelektrinės medžiagos, kurios matmenų ir masės minimizavimas yra technologiškai sudėtingas procesas, todėl judanti grandis sužadina didesnes inercines jėgas, kurios neigiamai veikia dinamines pavaros charakteristikas.In the design of the device, both resonant circuits are made of piezoelectric material, the minimization of dimensions and mass of which is a technologically complex process, so that the moving circuit excites higher inertial forces that adversely affect the dynamic characteristics of the drive.

Yra žinomas masės centravimo įrenginys, veikiantis įstrižų smūgių judesio generavimo principu (žiūr. Lietuvos mokslas, VIBROENGINEERING, Virpesių mechanika ir technika, Lithuania Academia Scientiarum, Ramutis Bansevičius, 1998, 19 knyga, 106-107 p.). Šiame įrenginyje naudojamą pjezoelektrinę pavarą sudaro trys pjezoelementai, kur du iš jų tvirtinami korpuse virpesių mazguose. Du nejudantys pjezoelementai su trečiuoju, judančiu, kontaktuoja dviejose kontakto zonose. Nejudantys elementai atlieka priešingų fazių to paties dažnio rezonansinius virpesius, o šių virpesių kryptys yra statmenos judančiosios grandies rezonansiniams virpesiams, kurie sutampa su nejudančių grandžių rezonansiniais dažniais.There is a known mass centering device operating on the principle of motion generation of oblique strokes (see Lithuanian Science, VIBROENGINEERING, Vibration Mechanics and Technique, Lithuania Academia Scientiarum, 1998, Book 19, pp. 106-107). The piezoelectric actuator used in this unit consists of three piezoelectric actuators, two of which are mounted in a housing in vibration assemblies. The two stationary piezo-elements contact the third, moving, in two contact zones. The stationary elements perform resonant oscillations of opposite phases of the same frequency, and the directions of these oscillations are perpendicular to the resonant oscillations of the moving circuit, which coincide with the resonant frequencies of the stationary circuits.

Dėl šių rezonansinių virpesių krypčių statmenumo, dviejose įrenginio grandžių kontakto zonose atsiranda įstriži vienos krypties aukšto dažnio smūgiai, todėl judančioji grandis įgauna tiesialinijinį judesį. Nurodytame prototipe judančioji grandis, yra pjezoelementas, kurio matmenų ir masės minimizavimas yra technologiškai sudėtingas procesas, todėl įrenginyje pasireiškia didesnės inercinės jėgos, kurios neigiamai veikia dinamines įrenginio charakteristikas.Due to the perpendicularity of these directions of resonant oscillation, the two contact areas of the unit circuits produce oblique one-way high-frequency bumps, resulting in a linear motion of the moving unit. The moving link in the above prototype is a piezo-element whose minimization of dimensions and mass is a technologically demanding process, resulting in higher inertial forces on the device which adversely affect the dynamic characteristics of the device.

Tikslas - sumažinti judančiosios grandies inercines jėgas ir tuo padidinti įrenginio greitaeigiškumą.The purpose is to reduce the inertial forces of the moving link and thereby increase the speed of the device.

Išradimo tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelektrinėje lazerio spindulio precizinio pozicionavimo pavaroje, susidedančioje iš korpuso, judesio mechanizmo ir valdymo bloko, prie korpuso viršutinės dalies yra standžiai pritvirtinti du nuolatiniai magnetai, o judesio mechanizmą sudaro du pjezoelementai, kurie savo virpesių mazguose įtvirtinti korpuso priešingose vidinėse sienelėse, ant kurių yra uždėta judančioji grandis, valdoma elektromagnetine rite ir prie kurios vieno iš galų yra standžiai įtvirtintas lazerio spindulio dangtelis. Be to, judančioji grandis yra pagaminta iš TERFENOL -D magnetostrikcinės medžiagos. Magnetostrikcinės medžiagos pakeičia magnetinę energiją į mechaninę arba atvirkščiai. Jų santykinis pailgėjimo koeficientas, veikiant magnetiniam laukui, yra 2-5 kartus didesnis, nei pjezoelektrinių medžiagų, o masė mažesnė dėl mažesnių geometrinių parametrų. Tai leidžia žymiai sumažinti judančios grandies inercines jėgas ir pagerinti greitaeigiškumą.The object of the present invention is achieved by the fact that in the piezoelectric laser beam precision positioning actuator consisting of a housing, a motion mechanism and a control unit, two permanent magnets are rigidly attached to the upper part of the housing, and the motion mechanism consists of two piezo elements mounted in , mounted on a movable circuit, controlled by an electromagnetic coil and having a laser beam cap rigidly fixed at one end. In addition, the moving link is made of TERFENOL-D magnetostrictive material. Magnetostrictive materials convert magnetic energy into mechanical or vice versa. Their relative elongation coefficient under magnetic field is 2-5 times higher than that of piezoelectric materials and lower in mass due to lower geometric parameters. This significantly reduces the inertial forces of the moving chain and improves high speed performance.

Išradimo esmė paaiškinama 1 figūroje, kurioje yra pavaizduota pjezoelektrinės lazerio spindulio precizinio pozicionavimo pavara: avaizdas iš priekio , b- vaizdas iš šono, c- vaizdas iš viršaus.BRIEF DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The invention is explained in Figure 1, which illustrates a precision positioning actuator for a piezoelectric laser beam: a front view, a b view from the side, a c view from above.

Pjezoelektrinė lazerio spindulio precizinio pozicionavimo pavara susideda iš korpuso 1, kuriame savo virpesių mazguose tvirtinami pjezoelementai 2 ir 3 bei nuolatiniai magnetai 4, pritvirtinti korpuso 1 viršutinėje dalyje. Nuolatinių magnetų 4 dėka judančioj i grandis 5, kuri pagaminta iš magnetostrikcinės medžiagos TERFENOL-D , uždėta ant pjezoelementu 2, 3 yra pritraukiama prie pjezoelementu 2 ir 3 ir taip sukuriamos dvi kontakto zonos. Lazerio spindulio dangtelis 6 standžiai tvirtinamas prie judančios grandies 5, kuri yra valdoma elektromagnetinės ritės 7.The piezoelectric laser beam precision positioning actuator consists of a housing 1 in which piezo elements 2 and 3 are mounted in their vibration assemblies and a permanent magnet 4 mounted on the upper part of the housing 1. Due to the permanent magnets 4, the moving link 5, which is made of the magnetostrictive material TERFENOL-D, is mounted on the piezo-elements 2, 3 and attached to the piezo-elements 2 and 3, thereby creating two contact zones. The laser beam cap 6 is rigidly fixed to a movable link 5 which is controlled by an electromagnetic coil 7.

Įrenginys dirba taip.The device works as follows.

Valdymo bloko pagalba ( figūroje nepavaizduotas) elektriškai sužadinus, virpesių mazguose prie korpuso 1 pritvirtintus, pjezoelementus 2 ir 3, jie pradeda virpėti vienodais rezonansiniais dažniais, tačiau π fazių skirtumu (Uicosrot ir Uicos(rot-bi)) . Magnetinės ritės 7 (Ucosco/2) dėka, judančioji grandis 5, kuri yra pagaminta iš magnetostrikcinės medžiagos TERFENOL-D, virpinama taip pat rezonansiniu dažniu ir yra pritraukiama prie pjezoelementu 2 ir 3 nuolatinių magnetų 4 dėka. Du nejudantys pjezoelementai 2 ir 3 su judančiąja grandimi 5, kontaktuoja dviejuose kontakto zonose. Nejudančių elementų 2 ir 3 generuojamų virpesių kryptys yra statmenos judančiosios grandies 5 kuriamiems virpesiams. Dėl šių rezonansinių virpesių statmenumo, dviejoje įrenginio grandžių kontakto zonose atsiranda įstriži vienos krypties aukšto dažnio smūgiai, todėl jundančioji grandis 5 kartu su prie jos pritvirtintu lazerio spindulio dangteliu 6, įgauna tiesialinijinį judesį ir taip lazerio spindulys yra uždengiamas. Pakeitus judančios grandies 5 virpesių fazę π skirtumu, gaunas slenkamojo judesio reversas ir tokiu būdu lazerio spindulys yra atidengiamas.When the control unit (not shown in the figure) is electrically excited, the piezo elements 2 and 3 attached to the body 1 in the oscillation units start to oscillate at the same resonant frequencies but with π phase difference (Uicosrot and Uicos (rot-bi)). Thanks to the magnetic coil 7 (Ucosco / 2), the moving link 5, which is made of the magnetostrictive material TERFENOL-D, also oscillates at a resonant frequency and is attracted to the piezo elements 2 and 3 by the permanent magnets 4. The two fixed piezo elements 2 and 3 contact the movable link 5 in two contact zones. The directions of oscillations generated by the fixed elements 2 and 3 are perpendicular to the oscillations generated by the moving link 5. As a result of the perpendicularity of these resonant oscillations, the two contact areas of the device circuits produce oblique one-way high-frequency bumps, causing the contacting unit 5 with the laser beam cap 6 attached to it to receive linear motion and thereby cover the laser beam. By changing the oscillation phase of the moving chain 5 by a difference of π, the reverse of the sliding motion is obtained and thus the laser beam is exposed.

Palyginus su prototipu, nauja konstruktyvių elementų visuma, dėka to, kad judančioj i grandis yra pagaminta iš magnetostrikcinės medžiagos TERFENOL-D, kurios santykinis pailgėjimo koeficientas, veikiant magnetiniam laukui, yra 2-5 kartus didesnis, nei pjezoelektrinių medžiagų, o masė mažesnė dėl mažesnių geometrinių parametrų, todėl žymiai sumažėja judančios grandies inercinės jėgos ir tai padidina įrenginio greitaeigiškumą.Compared to the prototype, the new set of structural elements, due to the fact that the moving link is made of the magnetostrictive material TERFENOL-D, which has a relative elongation factor of 2 to 5 times higher than the piezoelectric materials and a smaller mass geometry, which significantly reduces the inertial forces of the moving link and increases the speed of the device.

Claims

DEFINITION OF INVENTION

1. Piezoelectric laser beam precision positioning actuator, consisting of a housing, a motion mechanism and a control unit, characterized in that two permanent magnets are rigidly attached to the top of the housing and the motion mechanism consists of two piezo-elements mounted on opposite sides of the housing , mounted on a movable link, controlled by an electromagnetic coil and fitted with a laser beam cap at one end.

2. Piezoelectric laser beam precision positioning actuator according to claim 1, characterized in that the moving unit is made of TERFENOL-D magnetostrictive material.