RU49289U1

RU49289U1 - OPTICAL DEFLECTOR

Info

Publication number: RU49289U1
Application number: RU2005117651/22U
Authority: RU
Inventors: В.П. Иванов; Ю.В. Марков; В.И. Тевяшов
Original assignee: Российская Федерация в лице Министерства обороны
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Использование: относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использован в устройствах с оптико-механическим сканированием изображения для осуществления, например, чересстрочной развертки. Цель: повышение частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора. Сущность полезной модели: в оптическом дефлекторе, содержащем зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой. Положительный эффект: повышение чувствительности и виброустойчивости.Usage: relates to optoelectronic instrumentation and can be used in devices with opto-mechanical image scanning for, for example, interlacing. Purpose: increasing the frequency of natural vibrations of the movable part of the deflector. The essence of the utility model: in an optical deflector containing a mirror with a frame mounted on the base with the possibility of swinging on an elastic suspension, a piezoceramic bimorph element located parallel to the plane of the mirror and cantilevered on the base, while the free end of the piezoceramic bimorph element is connected with the peripheral zone of the mirror, the elastic suspension is made in the form of two pairs of flat springs located on opposite sides of the mirror symmetrically relative to the longitudinal axis of the piezoceramic of an morphic element, flat springs in each pair are installed symmetrically relative to the axis of swing of the mirror at an angle of 90 ± 10 ° to each other, while the line of intersection of the plane of installation of the flat springs coincides with the axis of swing and passes through the center of mass of the mirror with the frame. Positive effect: increased sensitivity and vibration resistance.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована в устройствах с оптико-механическим сканированием изображения для осуществления, например, чересстрочной развертки.The proposed utility model relates to optical-electronic instrumentation and can be used in devices with optical-mechanical image scanning for, for example, interlacing.

Известны устройства сканирования или отклонения оптических лучей (а.с.СССР №1108381, G 02 В 27/17, опубл. 15.08.1984 г.; а.с.СССР №1485188, G 02 В 26/10, опубл. 07.06.1989 г.; а.с.СССР 1405015, G 02 В 26/10, опубл. 23.06.1988 г.), содержащие пьезокерамические приводы, выполненные в виде биморфных элементов.Known devices for scanning or deflecting optical beams (A.S.SSSR No. 1108381, G 02 B 27/17, publ. 08/15/1984; A.S. SSSR No. 1485188, G 02 B 26/10, publ. 07.06. 1989; A.SS.SSSR 1405015, G 02 B 26/10, publ. 06/23/1988) containing piezoceramic actuators made in the form of bimorph elements.

Основным недостатком этих устройств является снижение их чувствительности за счет нагружения пьезопривода датчиками обратной связи системы управления (а.с.1108381) или вторым пьезокерамическим элементом (а.с.1485188, а.с.1405015).The main disadvantage of these devices is the decrease in their sensitivity due to the loading of the piezodrive with feedback sensors of the control system (AS 1108381) or the second piezoceramic element (AS 1485188, AS 1405015).

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является оптический дефлектор, описанный в «Устройстве развертки фокальной плоскости» (заявка РСТ №85/05464, G 02 В 26/10, опубл. 05.12.1985 г.).Closest to the proposed utility model is the optical deflector described in the "Scanning device of the focal plane" (PCT application No. 85/05644, G 02 B 26/10, publ. 05.12.1985).

Оптический дефлектор содержит зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, два пьезокерамических биморфных элемента, расположенных параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленных на основании в противоположных направлениях, при этом их свободные концы связаны с соответствующими периферийными зонами зеркала с помощью других упругих подвесов, а ось качания зеркала проходит через его центр и первый упругий подвес.The optical deflector contains a mirror with a frame mounted on the base with the possibility of swinging on an elastic suspension, two piezoelectric bimorph elements located parallel to the plane of the mirror and cantilevered on the base in opposite directions, while their free ends are connected to the corresponding peripheral zones of the mirror using other elastic suspensions, and the axis of swing of the mirror passes through its center and the first elastic suspension.

В этом дефлекторе второй пьезокерамический элемент движется в противоположном первому направлении и используется как датчик системы управления.In this deflector, the second piezoceramic element moves in the opposite first direction and is used as a control system sensor.

Недостатком данного устройства является большое количество упругих подвесов, способных к изгибу в разных плоскостях и приводящих к снижению его виброустойчивости. Кроме того, как и в упомянутых выше устройствах, второй пьезокерамический элемент увеличивает нагрузку на рабочий элемент, снижая чувствительность пьезокерамического привода.The disadvantage of this device is the large number of elastic suspensions capable of bending in different planes and leading to a decrease in its vibration resistance. In addition, as in the above-mentioned devices, the second piezoceramic element increases the load on the working element, reducing the sensitivity of the piezoceramic drive.

Основной задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является повышение его чувствительности и виброустойчивости путем повышения частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора.The main task to be solved in the proposed device is to increase its sensitivity and vibration resistance by increasing the frequency of natural vibrations of the movable part of the deflector.

Решение указанной задачи достигается тем, что в оптическом дефлекторе, содержащем зеркало с оправой, установленное на основании с возможностью качания на упругом подвесе, пьезокерамический биморфный элемент, расположенный параллельно плоскости зеркала и консольно закрепленный на основании, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента связан с периферийной зоной зеркала, упругий подвес выполнен в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, плоские пружины в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин совпадает с осью качания и проходит через центр масс зеркала с оправой.The solution to this problem is achieved by the fact that in an optical deflector containing a mirror with a frame mounted on the base with the possibility of swinging on an elastic suspension, a piezoceramic bimorph element located parallel to the plane of the mirror and cantilevered on the base, while the free end of the piezoceramic bimorph element is connected to the peripheral zone of the mirror, the elastic suspension is made in the form of two pairs of flat springs located on opposite sides of the mirror symmetrically with respect to the longitudinal axis p In the ceramic-bimorph element, the flat springs in each pair are installed symmetrically with respect to the mirror axis at an angle of 90 ° ± 10 ° to each other, while the line of intersection of the planes of installation of the flat springs coincides with the axis of swing and passes through the center of mass of the mirror with the frame.

На фиг.1 представлена фронтальная проекция оптического дефлектора, на фиг.2 продольный разрез по оси симметрии биморфного элемента.Figure 1 presents the frontal projection of the optical deflector, figure 2 is a longitudinal section along the axis of symmetry of the bimorph element.

Оптический дефлектор содержит зеркало 1 с оправой 2, установленное на основании 3 с возможностью качания на упругом подвесе 4, пьезокерамический биморфный элемент 5, с выводами 6, расположенный параллельно плоскости зеркала 1 и консольно закрепленный на основании 3, при этом свободный конец пьезокерамического биморфного элемента 5 связан с периферийной зоной зеркала 1, упругий подвес 4 выполнен в виде двух пар плоских пружин 7, расположенных с противоположных сторон зеркала 1 симметрично The optical deflector comprises a mirror 1 with a frame 2, mounted on the base 3 with the possibility of swinging on an elastic suspension 4, a piezoceramic bimorph element 5, with leads 6 located parallel to the plane of the mirror 1 and cantilevered on the base 3, while the free end of the piezoceramic bimorph element 5 connected with the peripheral zone of the mirror 1, the elastic suspension 4 is made in the form of two pairs of flat springs 7 located on opposite sides of the mirror 1 symmetrically

относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента 5, плоские пружины 7 в каждой паре установлены симметрично относительно оси качания 0-0₁ зеркала 1 под углом 90°±10° друг к другу, при этом линия пересечения плоскостей установки плоских пружин 7 совпадает с осью качания 0-0₁ и проходит через центр масс зеркала 1 с оправой 2.relative to the longitudinal axis of the piezoelectric ceramic bimorph element 5, the flat springs 7 in each pair are installed symmetrically with respect to the swing axis 0-0 _{1 of the} mirror 1 at an angle of 90 ° ± 10 ° to each other, while the line of intersection of the plane of installation of the flat springs 7 coincides with the swing axis 0 -0 ₁ and passes through the center of mass of mirror 1 with frame 2.

Оптический дефлектор работает следующим образом. На выводы 6 пьезокерамического биморфного элемента 5 подается знакопеременное управляющее напряжение, которое вызывает за счет обратного пьезоэффекта изгибы его свободного конца, связанного через оправу 2 с периферийной зоной зеркала 1 и, соответственно, изменение углового положения зеркала 1 с частотой изменения полярности управляющего напряжения, что, в свою очередь, приводит к периодическому изменению угла отражения пучка лучей, падающих на зеркало 1.The optical deflector operates as follows. An alternating control voltage is applied to the conclusions 6 of the piezoelectric ceramic bimorph element 5, which causes, due to the inverse piezoelectric effect, bending of its free end connected through the frame 2 to the peripheral zone of the mirror 1 and, accordingly, changing the angular position of the mirror 1 with the frequency of the polarity of the control voltage, which in turn, leads to a periodic change in the angle of reflection of the beam of rays incident on mirror 1.

При периодическом изменении полярности управляющего напряжения на выводах 6 пьезокерамического биморфного элемента 5 происходит резкое торможение подвижной системы оптического дефлектора (зеркало 1, оправа 2, пьезокерамический биморфный элемент 5) в узловых точках кривой гистерезиса пьезокерамики, определяемых величиной управляющего напряжения (амплитудным значением). Этот процесс приводит к появлению собственных высокочастотных колебаний подвижной системы (как в любой системе, имеющей упругие элементы).With a periodic change in the polarity of the control voltage at the terminals 6 of the piezoceramic bimorph element 5, the mobile system of the optical deflector sharply brakes (mirror 1, frame 2, piezoceramic bimorph element 5) at the nodal points of the piezoceramic hysteresis curve determined by the value of the control voltage (amplitude value). This process leads to the appearance of natural high-frequency vibrations of the mobile system (as in any system with elastic elements).

Кроме того, могут возникать колебания, обусловленные, например, установкой устройства, имеющего в своем составе описываемый оптический дефлектор, на вибрирующее основание (летательный аппарат, корабль и т.п.).In addition, fluctuations may occur due, for example, to the installation of a device incorporating the described optical deflector on a vibrating base (aircraft, ship, etc.).

Выполнение упругого подвеса в виде двух пар плоских пружин, расположенных с противоположных сторон зеркала симметрично относительно продольной оси пьезокерамического биморфного элемента, а также установка плоских пружин в каждой паре симметрично относительно оси качания зеркала под углом 90°±10° друг к другу, позволило вынести ось качания зеркала 1 в центр его массы, что привело к увеличению частоты собственных The implementation of the elastic suspension in the form of two pairs of flat springs located on opposite sides of the mirror is symmetrical relative to the longitudinal axis of the piezoelectric bimorph element, as well as the installation of flat springs in each pair symmetrically with respect to the axis of swing of the mirror at an angle of 90 ° ± 10 ° to each other, the swing of mirror 1 to the center of its mass, which led to an increase in the frequency of eigenvalues

колебаний подвижной части дефлектора (из-за отсутствия неуравновешенных масс, поскольку основной вклад в эту характеристику вносит момент инерции зеркала с оправой), что позволило повысить чувствительность и виброустойчивость дефлектора.oscillations of the moving part of the deflector (due to the absence of unbalanced masses, since the moment of inertia of the mirror with the frame makes the main contribution to this characteristic), which made it possible to increase the sensitivity and vibration resistance of the deflector.

Кроме того, сама конструкция подвеса в виде двух пар плоских пружин, образующих с основанием 3 треугольную фигуру с углом 90°±10° при его вершине, является устойчивой к возмущающим колебаниям.In addition, the suspension design itself in the form of two pairs of flat springs, forming with the base 3 a triangular figure with an angle of 90 ° ± 10 ° at its apex, is resistant to disturbing vibrations.

Указанный выше угол, образованный при пересечении плоскостей установки плоских пружин, выбран равным 90°±10°, ограничение допускаемых его отклонений оптимизировано с целью сохранения высокой частоты собственных колебаний подвижной части дефлектора. Для оптимизации использован метод конечно-элементного анализа.The angle indicated above, formed at the intersection of the plane of installation of the flat springs, is chosen equal to 90 ° ± 10 °, the limitation of its tolerances is optimized in order to maintain a high frequency of natural vibrations of the movable part of the deflector. For optimization, the finite element analysis method was used.

Основным критерием выбора допусков, ограничивающих угол между плоскостями установки плоских пружин в пределах от 80° до 100°, являлось изменение частоты собственных колебаний дефлектора не более чем на 10%.The main criterion for the selection of tolerances that limit the angle between the plane of installation of flat springs in the range from 80 ° to 100 °, was the change in the frequency of natural vibrations of the deflector by no more than 10%.

Claims

An optical deflector comprising a mirror with a frame mounted on the base with the possibility of swinging on an elastic suspension, a piezoceramic bimorph element located parallel to the plane of the mirror and cantilevered on the base, while the free end of the piezoceramic bimorph element is connected with the peripheral zone of the mirror, characterized in that the elastic the suspension is made in the form of two pairs of flat springs located on opposite sides of the mirror symmetrically with respect to the longitudinal axis of the piezoceramic bimorph th element of flat springs in each pair are mounted symmetrically with respect to the swing axis of the mirror at an angle of 90 ± 10 ° to each other, wherein the line of intersection of planes of flat springs setting coincides with the oscillation axis and passes through the center of mass of the mirror with frame.