Пьезоэлектрическое двухкоординатное сканирующее устройство

 

Использование: изобретение относится к оптико-механической промышленности, в частности к устройствам для перемещения луча в пространстве. Сущность изобретения: в устройстве кардановый подвес выполнен в виде жесткой крестообразной пластины малых размеров, имеющей возможность перемещаться вместе с рамкой, на которой с одной стороны закреплен отражатель, а с другой - шарик, совершающий колебания в телесном угле посредством двух разрезанных телескопических трубочек, соединенных каждая со своим пьезобиморфным диском захватом через его центр. Кардановый подвес сбалансирован относительно плоскости его поворота. Пьезобиморфные диски с разделенными на два сектора электродами развернуты в плоскости колебаний на 90и закреплены по нулевой окружности между собой и с корпусом. Устройство снабжено арретиром отражателя в виде одношаговой гайки и подпружиненной шайбы с четырьмя упорными столбиками и имеет дифференциальный датчик положения в виде подвижной профильной рамки, жестко закрепленной с отражателем, и неподвижного четырехсекционного кольца, причем центры качания отражателя и датчика совмещены. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к точным оптическим приборам, в частности к устройствам для перемещения луча в пространство, и может быть использовано в оптико-механической промышленности и измерительной технике, лазерной локации, измерительно-информационных системах и системах связи, наведения, слежения, передачи и обработки информации, робототехнике.

Известны сканирующие устройства, содержащие отражатель, соединенный с пьезоприводом [1,2,3] . Недостатком данных устройств являются малые величины сканирования и резонансной частоты (рабочий интервал частот), их вибрационная неустойчивость.

Наиболее близким техническим решением является пьезодефлектор, привод которого выполнен в виде слоеного диска, в котором возбуждаются S-образные изгибные колебания, смещенные в плоскости его на 90^о, а отражатель крепится к центру диска посредством карданового подвеса, выполненного в виде "рамка в рамке" [2] .

Недостатком известной конструкции является низкая резонансная частота, вызванная увеличением момента инерции подвеса за счет обрамления отражателя рамками кардана. Разнесение масс карданового подвеса от центра ведет к его неустойчивости при вибрационном воздействии, а разные диаметры рамок ведут к существенной разнице в величинах резонансной частоты по координатам. Использование 1/4 площади пьезопривода для возбуждения колебаний на каждую координату уменьшает угол сканирования.

Цель изобретения - увеличение угла сканирования, расширение рабочего диапазона частот, повышение вибрационной устойчивости путем уменьшения габаритов, концентрации массы подвеса и сведения ее к центру, выполнения подвеса сбалансированным относительно плоскости качания, увеличения площади пьезопривода, ответственной за S-образные колебания, и передачи их отражателю от двух пьезоприводов (пьезобиморфных дисков).

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство отличается тем, что содержит кардановый подвес новой конструкции, позволяющей повысить вибрационную устойчивость за счет его сбалансированности, увеличить резонансную частоту (расширить рабочий диапазон частот), свести разницу в резонансных частотах по координатам к минимуму; передачу S-образных колебаний от двух пьезодисков, сдвинутых на 90^о с помощью разрезанных телескопических с захватами трубочек; арретир, повышений устойчивости к транспортной тряске. Наличие емкостного дифференциального датчика положения отражателя увеличивает точностные характеристики устройства при использовании его информации в цепи обратной связи для управления.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в используемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом сканирующем двухкоординатном устройстве, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показано сканирующее устройство, общий вид; на фиг. 2 - привод в виде круглой слойной пластины (диска) и схема его возбуждения, показано схематичное изображение колебаний отражателя и пьезобиморфных дисков.

Сканирующее устройство содержит корпус 1, привод в виде двух пьезобиморфных дисков 2,3, передаточные элементы в виде разрезанных телескопических трубочек 4,5 с захватами 6,7, кардановый подвес в виде жесткой крестообразной малого размера пластины 8 с рамкой 9, шариком 10, вилкообразным держателем 11, отражатель 12, арретир 13, емкостный датчик 14 положения.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на пьезобиморфные диски по схеме, указанной на фиг. 2, в них возбуждаются S-образные изгибные колебания. Пьезобиморфные диски 2,3 закреплены по нулевой окружности между собой и в корпусе 1 таким образом, чтобы каждый пьезодиск отвечал за свою координату, т. е. они развернуты в плоскости на 90^о. От пьезодисков 2,3 посредством разрезанных телескопических трубочек 4,5 с захватами 6,7, с помощью которых они крепятся к дискам через их центр, колебания передаются шарику 10 за счет упругого шарнира при обхвате шарика концами разрезанных телескопических трубочек 4, 5. Шарик 10 жестко укреплен на рамке 9, которая поворачивается вместе с жесткой крестообразной пластиной 8 в подшипниках 15 при работе по одной из координат. При возбуждении второй координаты (второго пьезодиска) колебания передаются шарику 10, но поворачивается теперь крестообразная пластина 8 через подшипники в вилкообразном держателе 11. На раме 9 закреплен отражатель 12, который фиксируется арретиром в виде одношаговой гайки 16, пружины 17 и шайбы с четырьмя упорными столбиками 18. Отражатель снабжен емкостным дифференциальным датчиком 14 положения в виде жестко закрепленной профильной рамки 19, служащей подвижной обкладкой емкостного датчика, и четырехсекционного кольца 20, служащего неподвижной обкладкой емкостного датчика, закрепленной на корпусе 1. Таким образом, если в двух пьезодисках, развернутых плоскостью своих колебаний на 90^о, возбуждаются S-образные колебания, то концы разрезанных телескопических трубочек совершают перемещение в телесном угле ϕ и шарик 10, а значит, и отражатель 12 будет перемещаться в телесном угле ϕ, но в другую сторону за счет упругого шарнира (шарик - концы телескопических трубочек).

Экспериментальные исследования заявляемого устройства показали, что по сравнению с устройствами аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает расширение рабочего диапазона частот, увеличение угла сканирования (таблица).

Сканирующее устройство может работать как в резонансном так и до резонансном режимах. (56) Авторское свидетельство СССР N 654927, кл. G 02 F 1/34, 1979.

Авторское свидетельство СССР N 208079, кл. G 02 F 1/33, 1966.

Авторское свидетельство СССР N 247421, кл. G 02 P 1/33, 1968.

Формула изобретения

1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ДВУХКООРДИНАТНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО , содеpжащее отpажатель, каpдановый подвес и бимоpфные пьезопpиводы в виде дисков с электpодами, отличающееся тем, что каpдановый подвес выполнен в виде жесткой кpестообpазной пластины, установленной с возможностью совместного пеpемещения, с дополнительно введенной pамкой, на котоpой закpеплен отpажатель, а ось каpданового подвеса выполнена со сфеpической повеpхностью на одном конце, взаимодействующей с повеpхностями дополнительно введенных телескопических тpубочек, каждая из котоpых соединена со своим бимоpфным диском с помощью захватов, пpоходящих чеpез центp диска.

2. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что каpдановый подвес сбалансиpован относительно плоскости его повоpота.

3. Устpойство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что электpоды пьезобимоpфных дисков выполнен pазделенными на два сектоpа, pазвеpнуты в плоскости колебаний на 90^o и закpеплены по нулевой окpужности между собой и с коpпусом.

4. Устpойство по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что оно снабжено аppетиpом отpажателя, выполненным в виде одношаговой гайки и подпpужиненной шайбы с четыpьмя упоpными столбиками.

5. Устpойство по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что оно снабжено емкостным диффеpенциальным датчиком положения, выполненным в виде подвижной пpофильной pамки, жестко скpепленной с отpажателем, и неподвижного четыpехсекционного кольца, пpи этом центpы качания отpажателя и датчика совмещены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3