CN110376729A - 双音圈直线电机快速机械光开关 - Google Patents

Abstract

为解决现有的机械光开关开关速度较慢，或者虽然开关速度快但有明显震动噪声、不能承受大功率激光的问题，本发明提出了一种双音圈直线电机快速机械光开关，包括壳体、驱动电路、设置在壳体内部的第一、第二音圈直线电机；第一、第二音圈直线电机平行或共线设置，且动子朝向相反；在第一、第二音圈直线电机的动子端部分别设置有第一挡光板和第二挡光板；第一挡光板上开设有M个间隔分布的第一通光孔，第二挡光板上开设有M个间隔分布第二通光孔；在壳体的两个相对侧壁上设置有M个第三通光孔和M个第四通光孔；光开关处于“开”状态时，M个第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和第四通光孔在激光束传输方向上一一对应同心；M≥2。

Description

双音圈直线电机快速机械光开关

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种双音圈直线电机快速机械光开关。

背景技术

许多激光光学的实验需要使用光开关(Optical Switch，OS)快速切换激光束。光开关按其结构工艺分类，主要分为机械光开关和非机械光开关，实用的非机械光开关多采用声光调制(AOM)和电光调制(EOM)技术，其突出优势是响应速度快，开关时间可达亚毫秒甚至十几个微秒，但这类开关的光束孔径小，多数情况下孔径在1毫米左右，使用时需要仔细对准，其最大的不足在于不能完全关断光束，应用于某些对泄露光敏感试验时这可能是致命的缺陷。

机械光开关技术成熟，多数机械光开关通过热、静电、电磁等驱动方式，使光学元件发生移动，从而实现光路的切换，此类光开关***损耗低、隔离度高，是目前应用最为广泛的光开关，其主要不足在于开关速度比较慢，通常都在10毫秒以上。为了实现对光束的快速切换，另一类机械光开关采用薄金属片作为动作快门，金属片厚度一般小于1毫米，其最优开关时间可达10ms以内，典型的如美国索雷博等公司销售的商用机械光开关的光束孔径为12mm，开关时间最小为4ms，但价格非常昂贵，且由于快门材料为金属薄片所以不能承受大功率激光，此外执行开关动作时有明显的振动噪声，使其在要求低噪声工作的场所使用受到限制。还有一类机械光开关采用电机促动，如已报道光开关采用旋转电机进行开关，开关速度可以达到微秒水平，但开关时有一定震动；有采用摆动式音圈电机改造的机械光开关，通光孔径达到32mm，功耗只有1mW，开关速度也可以达到微秒水平，但体积过大，不适用于小型化的光路之中；基于压电陶瓷(PZT)的机械光开关虽然速度可达10μs左右，但受限于扫描行程，需要将光束聚焦通过，需要更多的透镜及细致的校准，同时也不能承受较大的激光功率。

发明内容

为解决现有的机械光开关开关速度较慢，或者虽然开关速度较快但执行开关动作时有明显震动噪声、不能承受大功率激光的技术问题，本发明提出了一种双音圈直线电机快速机械光开关。

本发明的技术方案是：

双音圈直线电机快速机械光开关，其特殊之处在于：

包括壳体、驱动电路、设置在壳体内部的第一音圈直线电机、第二音圈直线电机；

第一音圈直线电机和第二音圈直线电机平行或共线设置，且二者的动子朝向相反；当共线设置时，二者之间的安装距离大于单个音圈直线电机的动子的最大行程；

第一音圈直线电机和第二音圈直线电机均与所述驱动电路相连接；驱动电路用于根据其接收的控制信号同时驱动第一音圈直线电机和第二音圈直线电机的动子作直线往复运动；

在第一音圈直线电机和第二音圈直线电机的动子端部分别设置有第一挡光板和第二挡光板；在被开关的激光束传输方向上，第一挡光板和第二挡光板之间具有间隙；

第一挡光板上开设有M个间隔分布的第一通光孔，第二挡光板上开设有M个间隔分布第二通光孔，M为大于等于1的整数；当M大于等于2时，任意两个第一通光孔不产生交叠；

M个第一通光孔与M个第二通光孔的轴线方向与被开关的M路激光束的传输方向一致；

在壳体的两个相对侧壁上分别设置有相对应的第一通光窗口和第二通光窗口，第一通光窗口和第二通光窗口沿被开关的激光束传输方向分布；在第一通光窗口和第二通光窗口处分别安装第一通光板和第二通光板；第一通光板上设置有M个第三通光孔，第二通光板上设置有M个第四通光孔；

当机械光开关处于“开”状态时，M个第一通光孔、M个第二通光孔、M个第三通光孔和M个第四通光孔在激光束传输方向上一一对应同心；

M个第二通光孔的几何尺寸与M个第一通光孔的几何尺寸一一对应相等，M个第三通光孔和M个第四通光孔的尺寸分别大于与其相应的M个第一通光孔和M个第二通光孔的尺寸。

进一步地，第一挡光板和第二挡光板均为金属片、塑料片或耐高温材料片。

进一步地，第一挡光板和第二挡光板均可由方形激光反射镜或反射棱镜替代。

进一步地，第一通光孔、第二通光孔、第三通光孔和第四通光孔均为圆孔、方形孔、矩形孔或跑道形孔。

进一步地，第一通光孔和第二通光孔的直径或短边长大于其所通过激光束的直径。

进一步地，壳体由纯铁制成。

进一步地，M个第一通光孔的尺寸不同。

进一步地，在被开关的激光束传输方向上，第一挡光板和第二挡光板之间的间隙大于1mm。

进一步地，第一挡光板和第二挡光板采用螺钉连接或者环氧树脂胶水粘接固定在音圈直线电机的动子端部。

本发明的有益效果在于：

1、开关速度快

本发明的开关速度取决于选用的音圈直线电机的运动速度，且双音圈电机结构的开关速度比单音圈电机方式提高一倍；根据现有可选择的音圈直线电机的性能，在光束直径小于4毫米的情况下，本发明的开关速度可以小于1毫秒。

2、能对大功率的激光光束进行关断

本发明中的挡光板材料选择范围广，可以根据需要选择为薄金属片、厚金属片、耐高温材料(例如陶瓷片)，或者可用激光反射镜元件作为挡光板，因此能对大功率激光光束进行关断。

3、震动噪声低

现有机械光开关的挡光板与挡光板的制动结构在光开关“开”与“关”时会发生碰撞所以会产生较大的噪声与振动；而本发明采用音圈直线电机制动，光开关的挡光板在工作状态中不与任何结构碰撞，本发明噪声仅来源于音圈直线电机运动产生的噪声，因此，本发明工作时的噪声相比多数的现有机械光开关有相当程度降低，适合在低噪声、低振动要求的场合使用。

4、适用性强

本发明可以对多束平行传输的激光进行同步快速关断。

5、结构简单、稳定性好、操作简单方便、成本低

本发明利用音圈直线电机的高可靠与快速响应特性，能够快速且完全的关断高能量、大直径的激光光束，结构简单、可靠性好、开关速度快、价格低、生产调试方便，在强激光***、光测试***、光传感***等方面具有广泛的应用。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图(由于驱动电路是现有常用单元，为简便起见驱动电路未在图中示出)。

图2是本发明实施例二中主要部件的配合示意图(只画出了音圈直线电机和挡光板)。

图3是本发明实施例三中主要部件的配合示意图(只画出了挡光板)。

图4是根据本发明四的结构示意图。

图5是本发明实施例五的结构示意图。

附图标记说明：

1-第一音圈直线电机；2-第二音圈直线电机；3-第一挡光板；31-第一通光孔；4-第二挡光板；41-第二通光孔；5-第一固定结构；6-第二固定结构；7-壳体；71-壳体盖板；72-第一通光窗口；73-第二通光窗口；74-走线孔；75-第一通光板；751-第三通光孔；76-第二通光板；761-第四通光孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，在下述各实施例中，在无特别说明的情况下，以激光束传输的方向为纵向(即图中Y方向)，以音圈直线电机的轴线方向为横向(即图中X方向)。

实施例一：

如图1所示，本实施例包括第一音圈直线电机1、第二音圈直线电机2和壳体7；第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2沿X方向共线设置在壳体7内，且二者的动子朝向相反(即运动方向相反)；

第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的定子分别通过第一固定结构5和第二固定结构6与壳体7固定连接，这两个音圈直线电机之间的安装距离略大于单个音圈直线电机的动子的最大行程；

第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的动子端部分别连接有第一挡光板3和第二挡光板4，第一挡光板3和第二挡光板4在纵向方向(Y方向)上交错安装，二者沿纵向方向的距离应大于1mm，防止互相碰撞；第一挡光板3上设置有第一通光孔31，第二挡光板4上设置有第二通光孔(图1中该孔被遮挡未显示出)，当机械光开关处于“开”状态下，第一通光孔31和第二通光孔在激光束传输方向(Y方向)上同心；

第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的电线均通过壳体7侧壁上的走线孔74与壳体7外部的驱动电路相连接，这两个音圈直线电机的动子在驱动电路输出的电信号的驱动下能沿横向方向(X方向)做直线往复运动，驱动电路由外部电源供电，并与计算机连接，接受计算机发出的控制信号；

在壳体7的两个相对的侧壁上分别设置有相对应的第一通光窗口72和第二通光窗口73(本实施例采用矩形通光窗口)，第一通光窗口72和第二通光窗口73沿激光束传输方向分布；在第一通光窗口72处安装有第一通光板75，在第二通光窗口73处安装有第二通光板76；第一通光板75的几何中心位置设置有第三通光孔751，第二通光板76的几何中心位置设置有第四通光孔761；第三通光孔401和第四通光孔403的尺寸相等，且略大于第一通光孔31和第二通光孔的尺寸。

当本实施例机械光开关处于“开”的状态时，第一通光孔31、第二通光孔、第三通光孔401和第四通光孔403的中心位于同一轴线上。

假设激光束由第四通光孔403入射后经第三通光孔401出射，当光束需要被关断时，计算机向驱动电路发出一个控制信号，驱动电路驱动第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的动子同时相向运动，两动子到达电机的行程终点之后，两动子端部的第一挡光板3和第二挡光板4将会挡住激光束的传播，实现激光束“关”的功能；反之，计算机向驱动电路发出第二个控制信号，驱动电路驱动第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的动子各自回到初始位置，使得位于两动子端部的第一挡光板4和第二挡光板4上的第一通光孔31和第二通光孔在激光束传播方向上再次同心，第一通光孔31和第二通光孔互相不遮挡，激光束会完全通过第一通光孔31和第二通光孔，实现激光束“开”的功能。

本实施例中第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2均选用体积小、往复频率可以达到50Hz、电机行程为3mm的商用型号，因此本实施例所能够开关的激光束直径应小于3mm。

本实施例中，第一挡光板3和第二挡光板4均为矩形薄铝片，尺寸为8mm×6mm×0.5mm，第一通光孔31和第二通光孔41均为直径3mm的圆形通孔；在其他实施例中，第一挡光板3和第二挡光板4也可为厚金属片、耐高温材料(例如陶瓷片)，或者由激光反射镜元件(例如激光反射镜、反射棱镜)替代。当采用激光反射镜元件时，激光反射镜元件可将光能量反射走，如此当开关处于关闭状态时，激光反射镜元件不会吸收激光能量，因而在开关大功率激光时不会因为热累积损坏。

本实施例中，第一挡光板3和第二挡光板4均采用螺钉分别固定连接在第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的动子端部，在其他实施例中也可以采用其它公开知晓的方式固定，例如采用环氧树脂胶水粘接固定。

本实施例中，壳体7与壳体盖板71的材料采用具有磁场屏蔽作用的纯铁(牌号为DT4C)，以防止外界磁场对开关性能的影响，在对开关性能要求不高的情况下，壳体7与壳体盖板71材料可以选用其它常用金属材料，例如铝合金。

当需要实现N(N≥2)路激光束的开关功能时，在第一挡光板3上开设N个间隔设置的第一通光孔31，任意两个第一通光孔31不产生交叠，因而当第一通光孔31为圆孔时，任意两个第一通光孔31的位置应满足h＞r1+r2，h为这两个第一通光孔31的中心距，r1和r2分别是这个两个第一通光孔31的半径；相应地，在第二挡光板4上开设N个间隔设置的第二通光孔41，在第一通光板75上设置N个第三通光孔751，第二通光板76上设置N个第四通光孔761，当机械光开关处于“开”状态时，N个第一通光孔31、N个第二通光孔41、N个第三通光孔751和N个第四通光孔761在激光束传输方向上一一对应同心；N个第二通光孔41的几何尺寸与N个第一通光孔31的几何尺寸一一对应相等，N个第三通光孔751和N个第四通光孔的尺寸分别大于与其对应的N个第一通光孔31和N个第二通光孔41的尺寸；N个第一通光孔31的几何尺寸可以相同，也可以不同。

每个第一通光孔31和与它对应的第二通光孔41组成一组功能孔，用于对穿过它们的激光束进行“开”、“关”功能。

第一挡光板3上各第一通光孔31间的相对位置可以根据各激光束的空间位置设置，各激光束可以同时关断(即关断时间不存在延迟)，也可以不同时关断，具体光开关工作过程与前述的单束激光光开关相同，不再赘述。

以下以对两路激光束开关为例，进行进一步说明。

实施例二：

本实施例为对两路激光束同时实现开关(即N＝2)的方案，主要部件的配合关系如图2所示。与实施例一的区别在于：在第一挡光板3上开设两个间隔设置的第一通光孔31，在第二挡光板4上开设两个间隔设置的第二通光孔41，在第一通光板75上设置两个第三通光孔751，第二通光板76上设置两个第四通光孔761；两个第一通光孔31的大小分别与两个第二通光孔41相等，两个第三通光孔751和两个第四通光孔的尺寸分别大于与两个第一通光孔31和两个第二通光孔41的尺寸；并且，两个第一通光孔31的位置满足h＞r1+r2；所有第一通光孔31和第二通光孔41沿Y方向的投影应落入第一通光窗口72和第二通光窗口73的开窗范围内；

将两个第一通光孔31分别记为通光孔A和通光孔B，两个第二通光孔41分别记为通光孔A＇和通光孔B＇；通光孔A和通光孔A＇用于对激光束210进行“开”、“关”；通光孔B和通光孔B＇用于对激光束211进行“开”、“关”。

当要实现对激光束210和激光束211的同时开关，则在X方向上，通光孔A或A＇的的边缘与激光束210边缘之间的距离，等于通光孔B或B＇的边缘与激光束211边缘之间的距离，即：

假定激光束210和激光束211的半径分别为b1和b2，通光孔A和通光孔A＇的半径均为r1，通光孔B和通光孔B＇的半径均为r2，则当满足r1-b1＝r2-b2时，激光束210和激光束211同时开关。

在其他实施例中，若通光孔A、B、A＇、B＇均为方孔，则实现激光束210和激光束211同时开关的条件是：d1-b1＝d2-b2，d1为通光孔A和A＇边长的一半，d2和通光孔B和B＇边长的一半；若通光孔A、B、A＇、B＇均为矩形孔。则实现激光束210和激光束211同时开关的条件是：c1-b1＝c2-b2，c1为通光孔A和A＇长边长度的一半，c2为通光孔B和B＇长边长度的一半。

实施例三：

本实施例为对两路激光束实现不同时开关(即N＝2)的方案，主要部件的配合关系如图3所示(图中仅显示了挡光板，其余部分未显示)。与实施例二的区别在于：在第一挡光板3上开设两个间隔设置、形状尺寸不同的第一通光孔31，分别记为通光孔A和通光孔B，在第二挡光板4上开设两个间隔设置、形状尺寸不同的第二通光孔41，分别记为通光孔A＇和通光孔B＇；通光孔A＇和通光孔B＇的形状、尺寸与通光孔A和通光孔B分别相同；通光孔A的横向(X向)尺寸为m，通光孔B的横向尺寸为l，且l＞m，通光孔A与通光孔B的横向间距h满足h＞l(即横向间距大于较大通光孔的横向尺寸)，通过通光孔B的光束的位置应在孔中心；相应的，在第一通光板上设置两个第三通光孔(图3中未示出)，第二通光板上设置两个第四通光孔(图3中未示出)；两个第三通光孔和两个第四通光孔的尺寸分别大于与两个第一通光孔和两个第二通光孔的尺寸；

通光孔A和第二通光孔A＇用于对激光束210进行“开”、“关”；通光孔B和通光孔B＇用于对激光束211进行“开”、“关”；

若通光孔A和通光孔A＇关闭时间为T₀，则通光孔B和通光孔B＇关闭时间相对滞后即激光束210和激光束211可以不同时关断，激光束211相对激光束210的“关”滞后时间为相应的其“开”的滞后时间也为

实施例四：

如图4所示，本实施例与实施例二两路激光束开关方案的区别在于：第一音圈直线电机1与第二音圈直线电机2沿激光束传输的方向(Y方向)平行设置在壳体7中，并通过第一固定结构5和第二固定结构6与壳体7固定连接，且第一音圈直线电机1与第二音圈直线电机2的动子相对于壳体7的安装方向相反，第一音圈直线电机1与第二音圈直线电机2在壳体7中的安装高度相同；

第一挡光板3与第二挡光板4结构为“L”形，二者分别通过各自的延长臂与第一音圈直线电机1和第二音圈直线电机2的定子连接，连接方式可以为螺钉连接，也可以采用其它公开知晓的方式连接，例如采用环氧树脂胶水粘接固定；

本实施例中的两束激光可以同时关断，各个光束的关断时间之间不存在延迟，具体光开关工作过程与实施例一的单束激光光开关相同，不再赘述。

本实施例中的两个音圈直线电机的布置方式可以明显减小整个光开关的横向长度，适用对于横向长度方向紧凑性求高的场合使用。

实施例五：

如图5所示，本实施例与实施例二两路激光束开关方案的区别在于：第一音圈直线电机603与第二音圈直线电机604沿z方向平行设置在壳体7中，并通过第一固定结构5和第二固定结构6与壳体7固定连接，且第一音圈直线电机603与第二音圈直线电机604的动子相对于壳体7的安装方向相反；

第一挡光板3与第二挡光板4结构为“П”形，均包括依次连接的第一矩形板、第二矩形板和第三矩形板，第一矩形板与第三矩形板平行共面设置，第二矩形板与第一矩形板垂直共面设置，第一矩形板与第三矩形板通过第二矩形板相连；第二矩形板与音圈直线电机的定子固定连接，连接方式可以为螺钉连接，也可以采用其它公开知晓的方式固定；第三矩形板的长度方向与音圈直线电机动子方向平行，第三矩形板上沿其长度方向开设有两个通光孔；第二矩形板用于产生平衡力矩，第二矩形板的长度方向与音圈直线电机动子方向平行。

本实施例中的两束激光可以同时关断，各个光束的关断时间之间不存在延迟，具体光开关工作过程与实施例一的单束激光光开关相同，不再赘述。

Claims (9)

1.双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：

包括壳体(7)、驱动电路、设置在壳体(7)内部的第一音圈直线电机(1)、第二音圈直线电机(2)；

第一音圈直线电机(1)和第二音圈直线电机(2)平行或共线设置，且二者的动子朝向相反；当共线设置时，二者之间的安装距离大于单个音圈直线电机的动子的最大行程；

第一音圈直线电机(1)和第二音圈直线电机(2)均与所述驱动电路相连接；驱动电路用于根据其接收的控制信号同时驱动第一音圈直线电机(1)和第二音圈直线电机(2)的动子作直线往复运动；

在第一音圈直线电机(1)和第二音圈直线电机(2)的动子端部分别设置有第一挡光板(3)和第二挡光板(4)；在被开关的激光束传输方向上，第一挡光板(3)和第二挡光板(4)之间具有间隙；

第一挡光板(3)上开设有M个间隔分布的第一通光孔(31)，第二挡光板(4)上开设有M个间隔分布第二通光孔(41)，M为大于等于1的整数；当M大于等于2时，任意两个第一通光孔(31)不产生交叠；

M个第一通光孔(31)与M个第二通光孔(41)的轴线方向与被开关的M路激光束的传输方向一致；

在壳体(7)的两个相对侧壁上分别设置有相对应的第一通光窗口(72)和第二通光窗口(73)，第一通光窗口(72)和第二通光窗口(73)沿被开关的激光束传输方向分布；在第一通光窗口(72)和第二通光窗口(73)处分别安装第一通光板(75)和第二通光板(76)；第一通光板(75)上设置有M个第三通光孔(751)，第二通光板(76)上设置有M个第四通光孔(761)；

当机械光开关处于“开”状态时，M个第一通光孔(31)、M个第二通光孔(41)、M个第三通光孔(751)和M个第四通光孔(761)在激光束传输方向上一一对应同心；

M个第二通光孔(41)的几何尺寸与M个第一通光孔(31)的几何尺寸一一对应相等，M个第三通光孔(751)和M个第四通光孔(761)的尺寸分别大于与其相应的M个第一通光孔(31)和M个第二通光孔(41)的尺寸。

2.根据权利要求1所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：第一挡光板(3)和第二挡光板(4)均为金属片、塑料片或耐高温材料片。

3.根据权利要求1所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：第一挡光板(3)和第二挡光板(4)均可由方形激光反射镜或反射棱镜替代。

4.根据权利要求1或2或3所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：第一通光孔(31)、第二通光孔(41)、第三通光孔(751)和第四通光孔(761)均为圆孔、方形孔、矩形孔或跑道形孔。

5.根据权利要求4所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于，第一通光孔(31)和第二通光孔(41)的直径或短边长大于其所通过激光束的直径。

6.根据权利要求5所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：壳体(7)由纯铁制成。

7.根据权利要求5所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：M个第一通光孔(31)的尺寸不同。

8.根据权利要求5所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：在被开关的激光束传输方向上，第一挡光板(3)和第二挡光板(4)之间的间隙大于1mm。

9.根据权利要求5所述的双音圈直线电机快速机械光开关，其特征在于：第一挡光板(3)和第二挡光板(4)采用螺钉连接或者环氧树脂胶水粘接固定在音圈直线电机的动子端部。