Пьезодефлектор света

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Чумаков Александр Никитич Леонов Александр Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Пьезодефлектор света, содержащий ось с отверстием, соединенную с корпусом, на которой установлено зеркало и четыре пьезопривода, консольно закрепленные в корпусе,свободные концы которых соединены с осью с помощью четырех упругих элементов,причем в состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины, между которыми расположена прокладка, соединенная с ними с помощью клея,при этом упругие элементы соединены с концами пьезоприводов и осью цилиндрическими элементами, отличающийся тем, что зеркало расположено в центре оси между двумя парами пьезоприводов, а ось содержит второе отверстие, оба отверстия расположены симметрично друг другу относительно центра оси, и через каждое проходят по два упругих элемента, причем эти элементы параллельны друг другу и плоскости зеркала и перпендикулярны осям пьезоприводов. 2. Пьезодефлектор света по п. 1, отличающийся тем, что концы оси выполнены в виде плоских пластин, которые соединены с корпусом, параллельны осям пьезоприводов,перпендикулярны зеркалу и упругим элементам. 3. Пьезодефлектор света по п. 1, отличающийся тем, что в качестве цилиндрических элементов использованы штифты.(56) 1. Леонов А.М. Пьезокерамический дефлектор света // Оптический журнал. - 2010.10. - С. 61-64. 2. Широков А.М., Леонов А.М., Шуляк В.В. Оптимизация пьезокерамического дефлектора света // Доклады АН БССР. - 1984. -8. - . 708-712. 3..,.,.-//. - 1992. -6. - . 133-136, 1992. 4. Тевяшов В.И., Шушарин С.Н. Оптические дефлекторы для современных тепловизионных приборов // Оптический журнал. - 2007. -1. - С. 12-16. 5.7637, 2011 (прототип). Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована в лазерных сканирующих системах, например в лазерных маркерах или системах трехмерного технического зрения 1. Наиболее простой пьезодефлектор света состоит из консольно закрепленного биморфного пьезопривода, на свободном конце которого установлено зеркало. Угол сканирования излучения и полоса рабочих частот данной конструкции связаны с геометрическими параметрами ее элементов следующими соотношениями 21231(/)0,13 (/) зв/,гдеи- длина и толщина пьезопривода- апертура зеркала 31,и зв - пьезомодуль, максимальная напряженность электрического поля и скорость поперечных звуковых волн в пьезокерамике. Такие дефлекторы позволяют получить небольшие углы сканирования - порядка 10 мрад и относительно небольшие полосы рабочих частот - несколько килогерц. Небольшое увеличение полосы рабочих частот (порядка 20 ) достигнуто введением между пьезокерамическими пластинами прокладки из материала с небольшой плотностью, например из стеклотекстолита 3. Существенно увеличить угол сканирования (в несколько раз) позволяет использование механизма с упругими пластинами, которые соединяют пьезопривод с зеркалом 4. Для данной конструкции зависимости угла сканирования и максимальной полосы рабочих частот от геометрических параметров ее элементов имеют вид(1)1312/2(/)зв/,(2) где- расстояние между пластинами механизма передачи перемещений 1 и 2 - коэффициенты. Основной недостаток указанных аналогов - недостаточно широкая полоса рабочих частот, которая уменьшается при увеличении угла сканирования и апертуры зеркала. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является дефлектор света, который содержит не один, а четыре пьезопривода и ось, которая соединена с пьезоприводами упругими элементами, а зеркало установлено на конце этой оси. В состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины и прокладка, расположенная между указанными пластинами и соединенная с ними с помощью клея, а соединение упругих элементов с осью и пьезоприводами осуществляется с помощью соединительных элементов и клея 5. Зависимости угла сканирования и максимальной полосы рабочих частот этого дефлектора от геометрических параметров его элементов также могут быть определены по формулам (1, 2), но значение коэффициента 2 в несколько раз более высокое. Дефлектор обеспечивает угол сканирования до 100 мрад, апертуру до нескольких сантиметров и полосу рабочих частот до нескольких десятков килогерц. 2 82142012.04.30 Основной недостаток прототипа - неоптимальное взаимное расположение основных узлов зеркало закреплено на одном конце оси, а пьезоприводы на другом, что создает возможность резонансных крутильных колебаний с вращением концов оси в разные стороны. Единственный путь избежать указанных колебаний в полосе рабочих частот дефлектора - уменьшить длину оси ценой уменьшения ширины пьезоприводов, что не дает возможность создать конструкцию с еще большим коэффициентом 2. Поэтому полоса рабочих частот прототипа хотя и выше, чем у аналогов, но не отвечает требованиям разработчиков лазерных сканирующих систем. Задача предлагаемой полезной модели - расширение полосы рабочих частот путем увеличения частоты крутильных резонансных колебаний. Сущность предлагаемого технического решения - изменение взаимного расположения основных узлов прототипа и конструкции одного из них - оси. Пьезодефлектор света, содержащий ось с отверстием, соединенную с корпусом, на которой установлено зеркало и четыре пьезопривода, консольно закрепленные в корпусе,свободные концы которых соединены с осью с помощью четырех упругих элементов,причем в состав каждого пьезопривода входят две трапецеидальные пьезокерамические пластины, между которыми расположена прокладка, соединенная с ними с помощью клея,при этом упругие элементы соединены с концами пьезоприводов и осью цилиндрическими элементами зеркало расположено в центре оси между двумя парами пьезоприводов, а ось содержит второе отверстие, оба отверстия расположены симметрично друг другу относительно центра оси, и через каждое проходят по два упругих элемента, причем эти элементы параллельны друг другу и плоскости зеркала и перпендикулярны осям пьезоприводов. Концы оси выполнены в виде плоских пластин, которые соединены с корпусом, параллельны осям пьезоприводов, перпендикулярны зеркалу и упругим элементам. В качестве цилиндрических элементов использованы штифты. Взаимное расположение узлов отличается тем, что предложенная конструкция симметрична относительно плоскости, перпендикулярной оси. Зеркало установлено не на конце, а в центре оси между двумя парами пьезоприводов, ось имеет не одно, а два отверстия, через каждое из которых проходят два упругих элемента, соединяющие ось со свободными концами пьезоприводов. Указанные изменения позволяют повысить жесткость оси по отношению к крутильным колебаниям благодаря уменьшению длины оси и расстояния между зеркалом и пьезоприводами, что решает задачу увеличения частот крутильных колебаний и расширения рабочей полосы пьезодефлектора. Кроме того, установка зеркала не на конце, а в центре оси позволила ввести еще одно улучшение. На концах оси установлены плоские пластины, которые заменяют подшипники, что позволяет устранить трение покоя, которое препятствует прецизионной установке луча в заданное положение. Предложенная полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3, где 1 - зеркало 2 - ось 3 - пьезопривод 4 - корпус 5 - упругий элемент 6 - штифт 7 - пьезокерамическая пластина 8 - прокладка 9 - плоская пластина. Пьезодефлектор света содержит зеркало 1, установленное на оси 2, и четыре пьезопривода 3, консольно закрепленные в корпусе 4, свободные концы которых соединены с осью 2 с помощью четырех упругих элементов 5 и восьми штифтов 6. Конструкция пьезодефлектора света симметрична относительно плоскости, перпендикулярной оси 2. В центре оси 2 закреплено зеркало 1, а по обе стороны от него в оси име 3 82142012.04.30 ются два отверстия (позиция не указана), которые расположены симметрично друг другу относительно центра оси, через каждое из них проходят по два упругих элемента 5, соединяющие ось 2 и пьезоприводы 3. Частью оси 2 являются плоские пластины 9, расположенные на концах этой оси и соединенные с корпусом 4. В местах соединения упругих элементов 5 с концами пьезоприводов 3 и осью 2 все перечисленные элементы имеют цилиндрические отверстия, в которые вставлены штифты 6. Оси пьезоприводов 3 параллельны друг другу и плоскости пластин 9, являющихся частью оси 2, и перпендикулярны плоскости зеркала 1 и плоскостям упругих элементов 5. Каждый из пьезоприводов 3 состоит из двух трапецеидальных пьезокерамических пластин 7 и прокладки 8, расположенной между этими пластинами и соединенной с ними с помощью клея. Предложенный дефлектор работает следующим образом. При подаче на пьезокерамические пластины 8 управляющего напряжения одна из этих пьезокерамических пластин расширяется, а другая сжимается, происходит изгиб пьезопривода 3, и его свободный конец перемещается на расстояние в несколько раз превышающее величину деформации пьезокерамических пластин. Указанное перемещение передается с помощью упругих элементов 5 оси 2, которая совместно с зеркалом 1 поворачивается, и происходит отклонение пучка света, направленного на зеркало. Упругие элементы 5 и плоские пластины 9 выполняют функции подшипников, позволяя оси поворачиваться, не допуская других перемещений. В таблице приведены результаты расчета параметров прототипа и предложенной конструкции в предположении, что пьезопластины выполнены из ЦТС-19 с пьезомодулем 311,410-10 м/В, предельной напряженностью электрического поля 106 В/м и скоростью поперечных звуковых волн зв 3300 м/с. Кроме того, в таблице приведены экспериментально определенные параметры аналогов. Модель, мрад Аналог 1 (ДПД-202) 20 93,5 2,5 Аналог 2 3051 1 1,5 Прототип 10 50 10 Предлагаемая модель 10 50 14 Предлагаемая полезная модель превосходит все известные модели (прототип и аналоги) по совокупности параметров. Она позволяет отклонять широкие световые пучки (порядка сантиметра и более) на относительно большие углы (50-100 мрад или 3-6) и обеспечивает относительно широкую полосу рабочих частот (порядка 10 кГц и более). Отсутствие подшипников, которые заменены упругими пластинами, позволяет устранить трение покоя и прецизионно устанавливать луч в заданное положение. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4