Дефлектор света

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Леонов Александр Михайлович Кравцов Аркадий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Дефлектор света, содержащий зеркало с оправой, пьезопривод, состоящий из биморфных пьезоэлементов, консольно закрепленных в корпусе, систему передачи перемещений от свободных концов пьезоэлементов к зеркалу, в состав которой входят плоские упругие элементы, отличающийся тем, что система передачи перемещений дополнительно содержит ось вращения, выполненную в виде единой детали с плоскими упругими элементами, пьезопривод состоит из четырех биморфных элементов, расположенных попарно параллельно и симметрично относительно оси вращения, при этом оправа зеркала закреплена на одном из концов оси. 2. Дефлектор света по п. 1, отличающийся тем, что зеркало расположено снаружи корпуса. 58072009.12.30 3. Дефлектор света по п. 1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены заодно с ограничителями, расположенными относительно друг друга на расстоянии, равном толщине биморфных пьезоэлементов. 4. Дефлектор света по п. 3, отличающийся тем, что между упругими элементами и биморфными пьезоэлементами установлены электроизолирующие прокладки. 5. Дефлектор света по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что биморфные пьезоэлементы имеют трапецеидальную форму и выполнены из пьезокерамических пластин.(56) 1. Ларченко Ю.В., Леонов , Жук С.М. Современные сканирующие системы на основе электромеханических дефлекторов света // Лазер-Информ. - 2003. -9-10. - С. 9-12. 2. Володько Л.В., Лаврукович В.И., Леонов Сравнительный анализ электромеханических дефлекторов света // Доклады АН БССР. - 1978. -10. - С. 885-888. 3. Широков , Леонов , Шуляк В.В. Оптимизация пьезокерамического дефлектора света // Доклады АН БССР. - 1984. -8. - С. 709-712. 4. Патент 2259947, МПК 02 26/10, 2005 (прототип). Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использована в лазерных сканирующих системах, например, для лазерного сканирования в системах трехмерного технического зрения, в лазерной технологии для резки, гравировки, сварки, пайки, маркировки и т.д. Известен дефлектор света, основными узлами которого являются статор и ротор, установленный внутри статора. Наиболее распространенный вариант этой конструкции содержит ротор в виде постоянного магнита ( ) и статор из магнитомягкого материала с обмоткой управления 1. На оси ротора с помощью оправы закреплено зеркало, которое поворачивается совместно с ротором на угол, пропорциональный току в обмотке управления. Основной недостаток этого устройства - низкое быстродействие, которое характеризуется полосой рабочих частот - несколько кГц или временем переходного процесса - примерно 1 миллисекунда. Кроме того, высокие требования к точности изготовления деталей и сборки дефлектора (ошибки не должны превышать несколько микрометров) делают высокой его стоимость и низкой надежность, так как ошибки в изготовлении могут вызывать отказ в работе. Известен дефлектор света, состоящий из пьезопривода и зеркала. Пьезопривод представляет собой биморфный пьезоэлемент, который состоит из двух склеенных между собой пьезопластин с электродами. Один конец пьезопривода закреплен, а на втором установлено зеркало. Пьезопластины поляризованы по толщине в одну сторону. Центральные электроды пьезоэлемента пьезопривода соединены между собой и с одним из контактов входа дефлектора, а внешние электроды соединены между собой и вторым контактом входа дефлектора. При подаче на электроды управляющего напряжения происходит изгиб пьезопривода и поворот зеркала, которое перемещает направленное на него оптическое излучение. Наиболее эффективный вариант этой конструкции имеет привод трапецеидальной формы, оптимизированный по критерию максимума полосы рабочих частотпри заданном разрешении сканирования 58072009.12.30 31 - пьезомодуль,- предельная напряженность электрического поля,и Н - длина и толщина пьезопривода 2, 3. Основными недостатками известного дефлектора света являются малый угол и невысокое разрешение сканирования - несколько миллирадиан и от нескольких десятков до нескольких сотен единиц для излучения видимого и ближнего ИК-диапазонов. Наиболее близким к предложенному является дефлектор, содержащий зеркало с оправой, пьезопривод, состоящий из биморфных пьезоэлементов, консольно закрепленных в корпусе, систему передачи перемещений от свободных концов пьезоэлементов к зеркалу,в состав которой входят плоские упругие элементы. Ширина и длина пьезопривода примерно равны размеру зеркала. Введение системы передачи дает возможность увеличить угол сканирования до нескольких градусов, однако при этом снижается жесткость конструкции и возрастает эквивалентный момент инерции. В результате прототип теряет основное достоинство пьезодефлекторов - широкую полосу рабочих частот (высокое быстродействие) - и так же,как и аналоги, не находит широкого применения 4. Задачей полезной модели является создание базового элемента лазерных сканирующих систем, обладающего необходимым разрешением и существенно превосходящего известные аналоги по полосе рабочих частот, при упрощении конструкции и технологичности устройства в целом. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном дефлекторе света, содержащем зеркало с оправой, пьезопривод, состоящий из биморфных пьезоэлементов, консольно закрепленных в корпусе, систему передачи перемещений от свободных концов пьезоэлементов к зеркалу, в состав которой входят плоские упругие элементы, система передачи перемещений дополнительно содержит ось вращения, выполненную в виде единой детали с плоскими упругими элементами, пьезопривод состоит из четырех биморфных элементов, расположенных попарно параллельно и симметрично относительно оси вращения, а оправа зеркала закреплена на одном из концов оси. Зеркало расположено снаружи корпуса. Упругие элементы выполнены заодно с ограничителями, расположенными относительно друг друга на расстоянии, равном толщине биморфных пьезоэлементов. Между упругими элементами и биморфными пьезоэлементами установлены электроизолирующие прокладки. Пьезоэлементы имеют трапецеидальную форму и выполнены в виде пьезокерамических пластин. Каждый из пьезоэлементов аналогичен по конструкции описанному выше приводу аналогов и имеет трапецеидальную форму, широкое основание которой закреплено, а менее широкое соединено с упругими элементами системы передачи перемещений. В предлагаемой конструкции ширина каждого узла пьезопривода за счет использования оси вращения в виде единой детали с плоскими упругими элементами может быть примерно в 2-3 раза больше, чем у прототипа, а общая ширина четырех узлов соответственно в 10 раз больше, что позволяет увеличить жесткость пьезопривода и расширить полосу рабочих частот. То, что оправа закреплена на одном из концов оси таким образом, что зеркало расположено снаружи корпуса, расширяет возможность использовать предложенный дефлектор света в двухкоординатных конструкциях, в которых зеркала двух дефлекторов расположены вблизи друг друга. Наличие электроизолирующих прокладок между упругими элементами с ограничителями и меньшим основанием пьезоэлементов позволяет исключить замыкание электродов пьезокерамических пластин и обеспечивает устройству необходимые характеристики. Сопоставительный анализ с аналогами и прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового элемента (оси вращения), расположением зеркала,3 58072009.12.30 числом и взаимным расположением пьезоэлементов, что соответствует критериям новизна, существенные отличия заявляемого устройства, обеспечивает необходимый технический результат и позволяет решить поставленную задачу. Предложенная полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного дефлектора света фиг. 2. - общий вид устройства дефлектора света фиг. 3 - то же, что и на фиг. 2, сечение плоскостью А-А, перпендикулярной оси вращения зеркала фиг. 4 - электрическая схема устройства фиг. 5 - график зависимости предельного разрешения сканирования от заданной полосы рабочих частот. Предлагаемая полезная модель состоит из пьезопривода 1, электрический вход которого является входом устройства, а выход через систему передачи перемещений 2 механически соединен с зеркалом 3 (фиг. 1). В состав пьезопривода 1 входят четыре биморфных пьезоэлемента 4-7, расположенных в четырех квадрантах попарно параллельно и симметрично относительно оси симметрии всей конструкции О-О, а также корпус 8, расположенный вокруг биморфных пьезоэлементов 4-7. Удаленные от оси симметрии О-О концы пьезоэлементов 4-7 консольно закреплены в корпусе 8 (фиг. 2). Система передачи перемещений 2 состоит из оси 9, расположенной соосно оси симметрии О-О, четырех плоских упругих элементов 10, которые выполнены в виде одной детали, заодно с осью 9 и ограничителями, расположенными относительно друг друга на расстоянии, равном толщине биморфных пьезоэлементов 4-7, четырех электроизолирующих прокладок 11, с помощью которых свободные концы пьезоэлементов 4-7 соединены с концами металлических упругих элементов 10, подшипников 12, с помощью которых ось 9 установлена в корпусе 8, и оправы 13, с помощью которой зеркало 3, расположенное снаружи, за пределами корпуса 8, соединено с концом оси 9 (фиг. 3). Биморфные пьезоэлементы 4-7 состоят из двух пьезокерамических пластин 14 трапецеидальной формы, склеенных между собой и поляризованных в одном направлении. Каждая из этих пьезопластин содержит по два электрода 15 и 16, нанесенных на ее боковые поверхности. Внутренние электроды пьезокерамических пластин одного биморфного элемента 15, разделенные слоем клея, соединены между собой, а внешние электроды 16 также соединены между собой (фиг. 4). Соединение электродов биморфных пьезоэлементов 4-7, пронумерованных по часовой стрелке, произведено следующим образом. Внутренние электроды 15 биморфных пьезоэлементов 4, 7 соединены с внешними электродами 16 биморфных элементов 5, 6 и с одним из входных контактов пьезопривода 1. Внутренние электроды 15 биморфных пьезоэлементов 5, 6 соединены с внешними электродами 16 биморфных элементов 4, 7 и со вторым контактом пьезопривода 1. Предложенный дефлектор света работает следующим образом. При подаче на пьезопривод 1 управляющего напряжения оно прикладывается ко всем пьезопластинам 14, вследствие чего они деформируются, причем деформации пластин 14 одного пьезоэлемента 4-7 противоположны друг другу. Пьезоэлементы 4-7 изгибаются под воздействием управляющего сигнала, и их концы перемещаются пропорционально величине поданного напряжения. Направления перемещений пьезоэлементов 4, 7 или 5, 6, расположенных с одной стороны от плоскости симметрии дефлектора, совпадают между собой, а расположенных по разные стороны от плоскости симметрии 4, 5 и 6, 7 - противоположны друг другу. Поэтому все пьезоэлементы 4-7 поворачивают ось 9 в одну сторону, и изменение направления поворота может быть обеспечено изменением полярности управляющего напряжения. По 4 58072009.12.30 ворот оси 9 вызывает поворот оправы 13, а вместе с ним зеркала 3 и светового пучка, направленного на зеркало 3. Угол сканирования излучения дефлектором предлагаемой конструкции рассчитывается по формуле(3)12312/,где- расстояние между плоскими упругими элементами. Полоса рабочих частот рассматриваемой конструкцииограничена частотой ее механического резонансаи определяется по методике, изложенной в 1, 2(4)(/2)/(пз)0,5,гдеи п - жесткость и эквивалентный момент инерции пьезопривода, з - эквивалентный момент инерции зеркала,0,84 (/)3 2,(5) 4(6) п 0,47 (/) п ,(7) з 0,005 зА 5(/). Максимум рабочей полосы частот обеспечивается при выполнении условия пз.(8) Оптимальную длину пьезоэлемента можно определить, подставляя в (8) значения (6) и(9) опт 0,323(/)2/п(/)0,25 А. Полосу рабочих частот оптимизированного дефлектора можно определить, подставляя в (3) значения (4-6) с учетом (7)(10)0,15(/)зв/опт,где зв(/п) - скорость поперечных звуковых волн в пьезокерамике,- модуль Юнга,п - плотность. Сравнение предлагаемой конструкции с прототипом, аналогами и другими типами дефлекторов света позволяет подтвердить преимущество предлагаемой полезной модели. Проведем расчет основных параметров нескольких образцов предлагаемой конструкции, сделав указанные ниже допущения. 1. Все рассчитываемые образцы состоят из следующих материалов материал пьезопластин - пьезокерамика ЦТС-19 с пьезомодулем 311,410-10 В/м, предельной напряженностью электрического поля Еах 106 В/м, модулем Юнга 61010 Н/м 2 и с плотностью п 7,2103 кг/м 3 зеркало - плавленый кварц с плотностью з 2,2103 кг/м 3 2. 2. Ширина каждого пьезоэлемента образцов (х)3 А(1-/), где х - расстояние от точки крепления,0,5 - коэффициент трапецеидальноти. 3. В табл. 1 приведены задаваемые размеры зеркал А рассчитываемых образцов, отношения / и /, а также значенияи , рассчитанные с использованием (1) и (3) в предположении, что 1 мкм. Таблица 1 п/п А, мм, мрад 1 6,25 0,4 0,2 21 130 2 12,5 0,4 0,2 21 260 3 25 0,3 0,15 37 920 4 50 0,3 0,15 37 1850 Подставляя в (9) значения для рассчитываемых образцов, находим опт 10,67 А опт 20,67 опт 30,87 А Подставляя исходные и найденные значения рассчитываемых образцов в (4), (5) и (3),находим полосу рабочих частот - табл. 2. Параметры лучших современных (аналогов и прототипа) и перспективных (предлагаемых) дефлекторов света., кГц , кГц сведения 1 9 5 45 15 675 1 Аналоги 2 9 15 135 5 675 3 13 5 65 11 715 2 4 Прототип 314 6,3 2000 1,1 2200 3 5 21 6,25 130 41 5330 Предлагаемое Расчетные пара 6 21 12,5 260 20 5200 решение метры 7 37 25 920 3,1 2850 8 37 50 1850 1,6 2850 Приведенные в табл. 2 данные наглядно иллюстрируются графиком зависимости разрешения сканирования от полосы частот, представленным на фиг. 5, где на кривой 1 представлена зависимостьотдля дефлекторов света с подвижным якорем на кривой 2 для пьезокерамических дефлекторов света. Проведенный сравнительный анализ показывает существенное превосходство конструкции дефлектора света, выполненной согласно предложенной полезной модели, над прототипом и аналогами как по разрешению сканирования, так и по полосе рабочих частот. Не отличаясь по принципу работы от прототипа и аналогов, предложенная полезная модель за счет конструктивных особенностей позволяет обеспечить существенно лучшие параметры, делает дефлектор света перспективным для практического использования. Параметры предлагаемой конструкции выделяют ее не только среди пьезокерамических дефлекторов, но и среди дефлекторов других типов. Дефлекторы электромагнитного типа предлагаемая конструкция в десятки раз превосходит по полосе рабочих частот, а от акустооптических дефлекторов отличается большим разрешением сканирования и в десятки раз меньшими потерями света. Фиг. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7