RU2212045C1

RU2212045C1 - Optico-mechanical deflector

Info

Publication number: RU2212045C1
Application number: RU2002107476/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Ефименко; Е.В. Шалобаев
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственная организация "Скала"
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-09-10

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: invention is intended to deflect laser beam through considerable angle with frequency exceeding 300 Hz. Mirror on which fall of beam is envisaged is anchored on rotor capable to conduct rotary-oscillatory motion around longitudinal axis. Coaxial arrangement of springy torsion bar returning rotor to position of balance inside axial space of the latter ensures uniform distribution of loads, prevents translatory motion of members of deflector, their fatigue and residual deformation. If it is necessary to control beam in space there can be used two deflectors, for example. EFFECT: improved functional reliability of deflector. 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптике и может использоваться во всех областях, где требуется управление оптическим лучом в пространстве. The invention relates to optics and can be used in all areas where control of the optical beam in space is required.

Известно устройство сканирования оптического луча, используемое, например, при считывании штрихового кода, в котором повороты зеркала, закрепленного на упругом торсионе, происходят с помощью электромагнита (см. патент США 5206492, опубл. 27.04.93). Сила упругости, возникающая при скручивании торсиона, возвращает зеркало в положение равновесия. Недостатком этого устройства является ограниченность угла поворота зеркала. A known device for scanning an optical beam, used, for example, when reading a bar code in which the rotation of the mirror, mounted on an elastic torsion, occurs using an electromagnet (see US patent 5206492, publ. 04/27/93). The elastic force arising when twisting the torsion bar returns the mirror to the equilibrium position. The disadvantage of this device is the limited angle of rotation of the mirror.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым за прототип является резонансный двухкоординатный оптико-механический электромагнитный дефлектор с колеблющимся зеркалом (дипломный проект "Разработка оптико-механического дефлектора и схемы управления", Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет (ЛЭТИ), защита 30.01.2001 г.). Управление колебаниями зеркала и направленного на него лазерного луча обеспечивается изменением тока в обмотке электромагнитов, вызывающего повороты ротора с закрепленным на нем плоским зеркалом. Плечи ротора снабжены постоянными магнитами, расположенными напротив сердечников электромагнитов, а ось вращения зеркала совпадает с его плоскостью и осью вращения ротора. Эта ось проходит поперек ротора через его центр. При обесточенной обмотке ротор удерживается в определенном положении при помощи пружин с их начальным преднапряжением (растяжением). Это в процессе эксплуатации приводит к остаточной деформации пружин, изменению их номинальных характеристик и необходимости периодической юстировки дефлектора. Кроме того, возвращающие пружины оттягивают ротор с зеркалом в одну сторону в направлении, перпендикулярном оси поворота, и создают постоянную одностороннюю нагрузку на подшипники, что вызывает их срабатывание. Таким образом, недостатками прототипа являются невысокие надежность и долговечность, трудоемкость при техническом обслуживании и ремонте, а также из-за ограниченности свободного хода плеч ротора относительно небольшие углы поворота зеркала и по причине малой жесткости пружин и высокой индуктивности катушек электромагнитов низкая частота сканирования оптического луча. Closest to the proposed device and adopted as a prototype is a resonant two-coordinate optical-mechanical electromagnetic deflector with an oscillating mirror (diploma project "Development of an optical-mechanical deflector and control circuit", St. Petersburg State Electrotechnical University (LETI), protection January 30, 2001 ) The oscillations of the mirror and the laser beam directed at it are controlled by changing the current in the electromagnet winding, causing the rotor to rotate with a flat mirror fixed to it. The shoulders of the rotor are equipped with permanent magnets located opposite the cores of the electromagnets, and the axis of rotation of the mirror coincides with its plane and the axis of rotation of the rotor. This axis runs across the rotor through its center. When the winding is de-energized, the rotor is held in a certain position by means of springs with their initial prestress (tension). This during operation leads to permanent deformation of the springs, a change in their nominal characteristics and the need for periodic adjustment of the deflector. In addition, the return springs pull the rotor with the mirror in one direction in the direction perpendicular to the axis of rotation, and create a constant one-sided load on the bearings, which causes them to trip. Thus, the disadvantages of the prototype are the low reliability and durability, the complexity of maintenance and repair, as well as due to the limited free movement of the shoulders of the rotor, relatively small angles of rotation of the mirror and due to the low stiffness of the springs and the high inductance of the electromagnet coils, the low scanning frequency of the optical beam.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение ресурса работы узлов и всего устройства в целом, надежности его работы, улучшение технических характеристик - уменьшение габаритов, увеличение частоты сканирования и угла отклонения лазерного луча. The task to which the invention is directed is to increase the service life of the nodes and the entire device as a whole, the reliability of its operation, the improvement of technical characteristics - reduction of dimensions, increase in scanning frequency and angle of deviation of the laser beam.

Данная задача при реализации предлагаемого изобретения решается за счет достижения технического результата, заключающегося в обеспечении равномерности коаксиального распределения нагрузки на подшипники, исключении усталости и остаточной деформации упругих элементов. Этот технический результат достигается тем, что в оптико-механическом дефлекторе, состоящем из блока управления и модулятора, включающего в себя электромагниты, постоянные магниты, установленный параллельно плоскостям витков обмотки электромагнитов ротор с закрепленным на его оси плоским зеркалом, а также упругий элемент с функцией возврата ротора в положение равновесия, ротор выполнен в виде цилиндра с отсеченными в средней части параллельно образующей и симметрично относительно центральной продольной оси сегментами так, что ширина этой части стержня в три раза больше ее толщины, а также полым по указанной оси. В эту полость, диаметр которой не превышает половину толщины средней части ротора, вставлен закрепленный одним концом к ротору, а другим к неподвижному наконечнику упругий торсион, диаметр которого относится к толщине и длине ротора как 1:3: 60. Магнитное поле постоянных полосовых магнитов удерживает ротор при обесточенной обмотке узкими сторонами, ориентированными в сторону магнитов. Концы ротора заключены в подшипники, которые как и неподвижный наконечник установлены в отверстии, просверленном в предварительно залитой компаундом внутренности корпуса модулятора. Помещение упругого элемента внутри ротора и коаксиальное размещение элементов модулятора обеспечивают равномерность распределения нагрузок на подшипники и минимизацию рабочих зазоров в нем. This problem in the implementation of the invention is solved by achieving a technical result, which consists in ensuring uniformity of the coaxial distribution of the load on the bearings, eliminating fatigue and permanent deformation of the elastic elements. This technical result is achieved by the fact that in the optical-mechanical deflector, consisting of a control unit and a modulator, which includes electromagnets, permanent magnets mounted parallel to the planes of the turns of the electromagnet winding, a rotor with a flat mirror fixed to its axis, as well as an elastic element with a return function the rotor to the equilibrium position, the rotor is made in the form of a cylinder with segments cut off in the middle part parallel to the generatrix and symmetrically relative to the central longitudinal axis so that the width this part of the rod is three times its thickness, and also hollow along the specified axis. In this cavity, the diameter of which does not exceed half the thickness of the middle part of the rotor, an elastic torsion is fixed at one end to the rotor and the other to a fixed tip, the diameter of which relates to the thickness and length of the rotor as 1: 3: 60. The magnetic field of the permanent strip magnets holds rotor with de-energized winding with narrow sides oriented towards the magnets. The ends of the rotor are enclosed in bearings, which, like the stationary tip, are installed in the hole drilled in the interior of the modulator housing previously filled with the compound. The placement of the elastic element inside the rotor and the coaxial placement of the modulator elements ensure uniform distribution of loads on the bearings and minimization of working clearances in it.

Сущность изобретения отражена на фигурах, где на фиг.1 представлен схематический вид дефлектора лазерного луча с основными элементами системы поворота зеркала по одной координате. Фиг.2 иллюстрирует вид этих и других, не показанных на фиг.1, элементов, входящих в систему поворота зеркала, а также направления магнитных полей, созданных постоянными магнитами и обмоткой с током. The invention is reflected in the figures, where Fig. 1 is a schematic view of a laser beam deflector with the main elements of a mirror rotation system in one coordinate. Figure 2 illustrates the view of these and other, not shown in figure 1, elements included in the mirror rotation system, as well as the direction of magnetic fields created by permanent magnets and a current winding.

Дефлектор лазерного луча (фиг.1) состоит из модулятора 1, на роторе 2 которого закреплено зеркало 3. Модулятор 1 заключен в корпус 4. Колебание ротора 2 с зеркалом 3 возможно вокруг оси вращения 5. Обмотки управления 6 на магнитопроводящих сердечниках 7 электрически соединены проводами 8 с блоком управления 9. По оси вращения 5 внутри ротора 2 просверлено отверстие 10, в которое вставлен упругий торсион 11, закрепленный одним концом к неподвижному наконечнику 12, а другим к ротору 2. Ротор 2 имеет форму цилиндра с отсеченными параллельно образующей сегментами и при обесточенных обмотках 6 удерживается в устойчивом нейтральном положении постоянными полосовыми магнитами 13 (фиг.2), которые вставлены в пазы на внутренних противоположных боковых гранях корпуса 4. Обмотки 6 расположены по двум другим противоположным граням корпусов 4, а плоскости витков обмоток 6 параллельны оси вращения 5 ротора 2, причем витки обмоток 6 намотаны так, что направление тока в них одинаково как с одной стороны ротора 2, так и с другой. Для возможности поворота концы ротора 2 закреплены на подшипниках 14, которые так же, как и наконечник 12, установлены в отверстии 15, просверленном в предварительно залитом, например, эпоксидной смолой внутреннем пространстве корпуса 4 с обмотками 6 и магнитами 13. Наконечник 12 закреплен в отверстии 15 винтом 16 и, таким образом, торсион 11 зафиксирован в соответствии с нейтральным положением ротора 2 при обесточенных обмотках 6. Суженное по отношению к отверстию 10 отверстие 17 внутри ротора сделано для скрепления (запайки) с ним торсиона 11 и его центрирования по оси 5. Диаметр отверстия 17 определен из соображений возможности сверления самого тонкого его размера, а диаметр отверстия 10, например, в 1.33 раз больше. Диаметр торсиона 11 при этом должен быть немного меньше. Магнитопроводы 7 изготовлены из полосового железа и образуют четыре зубца, которые находятся в непосредственной близости от ротора 2 по длине его плоской части. The laser beam deflector (Fig. 1) consists of a modulator 1, on the rotor 2 of which a mirror 3 is mounted. The modulator 1 is enclosed in a housing 4. The oscillation of the rotor 2 with the mirror 3 is possible around the axis of rotation 5. The control windings 6 on the magnetic conductive cores 7 are electrically connected by wires 8 with a control unit 9. A hole 10 is drilled along the axis of rotation 5 inside the rotor 2, into which an elastic torsion 11 is inserted, fixed at one end to the fixed tip 12 and the other to rotor 2. The rotor 2 has the shape of a cylinder with a segment cut off in parallel ntami and with de-energized windings 6 is held in a stable neutral position by permanent strip magnets 13 (figure 2), which are inserted into the grooves on the inner opposite side faces of the housing 4. The windings 6 are located on two other opposite sides of the housings 4, and the plane of the turns of the windings 6 are parallel the axis of rotation 5 of the rotor 2, and the turns of the windings 6 are wound so that the direction of the current in them is the same both on one side of the rotor 2 and on the other. To rotate, the ends of the rotor 2 are mounted on bearings 14, which, like the tip 12, are mounted in a hole 15 drilled in the inner space of the housing 4 with windings 6 and magnets 13 pre-filled with epoxy resin, and the tip 12 is fixed in the hole 15 with a screw 16 and, thus, the torsion 11 is fixed in accordance with the neutral position of the rotor 2 with de-energized windings 6. The hole 17 narrowed with respect to the hole 10 inside the rotor is made for fastening (sealing) the torsion 11 and its center along the axis 5. The diameter of the hole 17 is determined for reasons of the possibility of drilling its thinnest size, and the diameter of the hole 10, for example, is 1.33 times larger. The diameter of the torsion bar 11 should be slightly smaller. The magnetic cores 7 are made of strip iron and form four teeth, which are in close proximity to the rotor 2 along the length of its flat part.

Устройство работает следующим образом. Электрический ток, протекающий по виткам обмоток 6, создает вокруг катушек магнитное поле, сконцентрированное вместе с магнитным полем постоянных магнитов 13 магнитопроводами 7 вокруг ротора 2. На фиг.2 показано направление магнитной индукции при определенном направлении тока в обмотках 6, и видно, что в нижней левой и правой верхней частях магнитные поля постоянных магнитов и обмоток 6 складываются, а в правой нижней и левой верхней вычитаются. В этом случае ротор 2 будет повернут по часовой стрелке. При прохождении переменного тока через витки обмоток 6, частота и амплитуда которого задаются блоком управления 9 в зависимости от требуемой траектории отраженного от зеркала 3 лазерного луча, возникающее вокруг обмоток 6 переменное магнитное поле вместе с постоянным магнитным полем магнитов 13 приводит ротор 2 во вращательно-колебательное движение. При этом роль силы, пропорциональной величине угла поворота ротора 2 и возвращающей его в первоначальное положение, играет сила упругости, возникающая при скручивании торсиона 11. Вместе с ротором 2 колеблется закрепленное на оси последнего зеркало 3, а отраженный от него луч лазера совершает колебательное движение, описывая траекторию, заданную блоком управления 9. Отсутствие в предлагаемом устройстве каких-либо элементов с поступательным движением и размещение торсиона 11 внутри ротора 2 позволяют максимально уменьшить габариты устройства, делают его удобным в эксплуатации и обеспечивают высокий ресурс работы при неизменном значении параметров. The device operates as follows. The electric current flowing through the turns of the windings 6 creates a magnetic field around the coils, concentrated together with the magnetic field of the permanent magnets 13 by the magnetic circuits 7 around the rotor 2. Figure 2 shows the direction of magnetic induction at a certain direction of current in the windings 6, and it is seen that in the lower left and upper right parts of the magnetic field of the permanent magnets and windings 6 are added, and in the lower right and upper left are subtracted. In this case, the rotor 2 will be rotated clockwise. When passing alternating current through the turns of the windings 6, the frequency and amplitude of which are set by the control unit 9 depending on the desired path of the laser beam reflected from the mirror 3, the alternating magnetic field arising around the windings 6 together with the constant magnetic field of the magnets 13 drives the rotor 2 into rotational-vibrational traffic. In this case, the role of the force proportional to the angle of rotation of the rotor 2 and returns it to its original position is played by the elastic force arising when the torsion 11 is twisted. Together with the rotor 2, the mirror 3 fixed on the axis of the latter oscillates, and the laser beam reflected from it oscillates, describing the trajectory set by the control unit 9. The absence of any elements with translational motion in the proposed device and the placement of the torsion 11 inside the rotor 2 can minimize the dimensions of the device wa, make it convenient to operate and provide a high service life with a constant value of the parameters.

Ограниченность угла отклонения зеркал в прототипе связана с габаритом модулятора, увеличение которого, в свою очередь, кроме практических трудностей, влечет за собой повышение числа витков в обмотке и, соответственно, увеличение индуктивности катушки с обмоткой, что ограничивает частоту сканирования. Предлагаемое устройство свободно от таких взаимно ограничивающих факторов. При его работе угол пространственной развертки луча ограничен только прочностными характеристиками торсиона и может достигать 30^o (против 12^o при тех же размерах в прототипе), а частота сканирования луча увеличивается в три раза. Корпус целесообразно изготавливать из немагнитного материала, например, Д16. Сердечник собирается из пластин, изготовленных из стали 0,35-Н-1-Т-1512 ГОСТ 21427.3-75. Намотка производится рядовым способом. Достаточно 185 витков. В качестве торсиона можно использовать проволоку 50ХФА-Н-ХН 0,5 или 40 КНММВТЮ. Постоянные магниты изготовлены из сплава неодим-железо-бор. Для изготовления ротора целесообразно использовать сталь У8А. Марка подшипников - 5-840 154 Ю4Т ТУ4479-79.The limited angle of deflection of the mirrors in the prototype is associated with the size of the modulator, the increase of which, in turn, in addition to practical difficulties, entails an increase in the number of turns in the winding and, accordingly, an increase in the inductance of the coil with the winding, which limits the scanning frequency. The proposed device is free from such mutually limiting factors. During his work, the angle of the spatial scan of the beam is limited only by the strength characteristics of the torsion bar and can reach 30 ^o (versus 12 ^o with the same dimensions in the prototype), and the scanning frequency of the beam increases three times. The housing is expediently made of non-magnetic material, for example, D16. The core is assembled from plates made of steel 0.35-H-1-T-1512 GOST 21427.3-75. Winding is done in an ordinary way. 185 turns are enough. As a torsion bar, you can use wire 50HFA-N-XH 0.5 or 40 KNMMVTYu. Permanent magnets are made of neodymium-iron-boron alloy. For the manufacture of the rotor, it is advisable to use steel U8A. Bearing brand - 5-840 154 Yu4T TU4479-79.

Claims

An optical-mechanical deflector, consisting of a control unit and a modulator, which includes two electromagnets, two permanent magnets and a rotor with a flat mirror mounted on it, mounted parallel to the plane of the turns of the electromagnet control windings with the possibility of rotational-vibrational motion, the axis of rotation of the flat mirror being the same with its plane and with the axis of rotation of the rotor, as well as an elastic element with the function of returning the rotor to the equilibrium position, characterized in that the axis of rotation of the rotor coincides with its center a neutral longitudinal axis, the rotor is made in the form of a cylinder with cut off in the middle part parallel to its central longitudinal axis and segments symmetrically relative to it so that the width of the remaining part of the rotor is three times its thickness, and also with a cavity drilled along the specified axis with a diameter of no more than half the thickness of the rotor in its middle part, an elastic element is inserted inserted into the axial cavity of the rotor, fixed at one end to the rotor, and at the other to a fixed tip, a torsion bar, the diameter of which is relative extend to the thickness and length of the rotor in its middle part as 1: 3: 60, and permanent magnets hold the rotor with de-energized control windings in a stable neutral position.