RU2388029C1 - Light beam deflection device - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: invention relates to optomechanical industry and can be used in different optoelectronic devices for controlling spatial position of a light beam. The device for deflecting a light beam has a housing in which two supports are mounted on a shaft on which a mirror is mounted. The mirror actuator is in form of a stator and a rotor and is mounted at one end of the shaft. The stator is made from four coils connected in series and arranged around the rotor. The coils are displaced from each other by 90°. The coil cores are in form of permanent magnets. One pair of coils is wound in one side and the other in another side in the direction of flow of current. The rotor is made in form of a quadripolar armature with a device for controlling its angular position mounted on the shaft. The rotor is made from magnetically soft material. The device for controlling angular position of the quadripolar armature is in form of a capacitive sensor.

EFFECT: reduced power consumption by the device.

3 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к оптико-механической промышленности, в частности к оптико-электронным устройствам, и может быть использовано в различных оптико-электронных приборах для управления пространственным положением светового пучка, например, в тепловизорах.The claimed invention relates to the optical-mechanical industry, in particular to optical-electronic devices, and can be used in various optical-electronic devices to control the spatial position of the light beam, for example, in thermal imagers.

Известно оптико-электронное сканирующее устройство, патент RU 2153693 С2, публ. 27.07.2000, содержащее подвижную рамку с токовой обмоткой, которая установлена на двух полуосях в опорах; магнитную систему в виде двух пар магнитов, установленных разнонаправлено и навстречу друг другу.Known optoelectronic scanning device, patent RU 2153693 C2, publ. 07.27.2000, containing a movable frame with a current winding, which is installed on two axles in the supports; a magnetic system in the form of two pairs of magnets mounted in opposite directions and towards each other.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- низкая помехоустойчивость к тряскам и вибрациям,- low noise immunity to shaking and vibration,

- неустойчивость работы при температурах от -50 до +70°С.- instability of operation at temperatures from -50 to + 70 ° C.

Известно также сканирующее устройство, патент RU 2269148 С1, 18.06.2004, состоящее из корпуса магнитоэлектрического привода, гладкого статора, двух обмоток управления, ротора-магнита, закрепленного на валу.Also known is a scanning device, patent RU 2269148 C1, 06/18/2004, consisting of a magnetoelectric drive housing, a smooth stator, two control windings, a magnet rotor mounted on a shaft.

Недостатками указанной конструкции являются:The disadvantages of this design are:

- неявно выраженный резонанс колебания зеркала, что вызывает большое потребление тока двух обмоток управления;- an implicit resonance of the mirror oscillation, which causes a large current consumption of the two control windings;

- неустойчивое положение равновесия, что заставляет ставить ограничители колебательного движения ротора.- unstable position of equilibrium, which forces to put limiters of the oscillatory motion of the rotor.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является сканирующее устройство, патент SU 1765800 А1, публ. 30.09.1992, содержащее корпус, в котором на двух опорах установлен вал, с закрепленным на нем зеркалом. Привод зеркала выполнен в виде статора и ротора, консольно установленного на одном конце вала, а другой консольный конец вала связан с корпусом через торсион с помощью зажима, а также устройство контроля углового положения зеркала. Консольный конец вала со стороны торсиона снабжен подвижной в поперечном направлении опорой, соединенной с корпусом через упругий элемент, а зажим торсиона выполнен в виде вилки и центрального резьбового стержня, установленного с возможностью перемещения в направлении оси вала в пазу корпуса.Closest to the claimed invention in terms of essential features is a scanning device, patent SU 1765800 A1, publ. 09/30/1992, comprising a housing in which a shaft is mounted on two bearings, with a mirror mounted on it. The mirror drive is made in the form of a stator and rotor, cantilever mounted on one end of the shaft, and the other cantilever end of the shaft is connected to the housing through a torsion bar using a clamp, as well as a device for controlling the angular position of the mirror. The cantilever shaft end on the torsion side is provided with a laterally movable support connected to the housing through an elastic element, and the torsion clamp is made in the form of a fork and a central threaded rod mounted to move in the direction of the shaft axis into the groove of the housing.

Признаки ближайшего аналога, общие с заявленным устройством:Signs of the closest analogue common with the claimed device:

- корпус, в котором на двух опорах установлен вал, с закрепленным на нем зеркалом;- a housing in which a shaft is mounted on two supports with a mirror mounted on it;

- привод зеркала выполнен в виде статора и ротора, консольно установленного на одном конце вала.- the mirror drive is made in the form of a stator and rotor, cantilever mounted on one end of the shaft.

Недостатками ближайшего аналога являются:The disadvantages of the closest analogue are:

- узкочастотный резонанс сканирующего зеркала,- narrow-frequency resonance of the scanning mirror,

- коэффициент полезного действия (КПД) сканирования менее 50%.- Scanning efficiency (COP) less than 50%.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание устройства для отклонения светового пучка с более сглаженным резонансом и КПД сканирования не менее 80%.The task to be solved by the claimed device is aimed at creating a device for deflecting a light beam with a smoother resonance and scanning efficiency of at least 80%.

Технический результат настоящего изобретения заключается в уменьшении потребляемой энергии устройством.The technical result of the present invention is to reduce the energy consumption of the device.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для отклонения светового пучка, содержащем корпус, в котором на двух опорах установлен вал, с закрепленным на нем зеркалом, привод зеркала, выполненный в виде статора и ротора и установленный на одном конце вала,The claimed technical result is achieved in that in a device for deflecting a light beam containing a housing in which a shaft is mounted on two supports, with a mirror mounted on it, a mirror drive made in the form of a stator and rotor and mounted on one end of the shaft,

- статор выполнен из четырех катушек, соединенных последовательно и сдвинутых одна относительно другой по окружности вокруг ротора на 90°,- the stator is made of four coils connected in series and shifted one relative to the other around the circumference around the rotor by 90 °,

- сердечники катушек выполнены в виде постоянных магнитов,- the cores of the coils are made in the form of permanent magnets,

- первая пара катушек намотана в одну сторону, другая пара катушек в другую сторону, по ходу протекания тока,- the first pair of coils is wound in one direction, the other pair of coils in the other direction, in the direction of current flow,

- ротор выполнен в виде четырехполюсного якоря,- the rotor is made in the form of a four-pole anchor,

- на валу якоря установлено устройство контроля его углового положения,- a device for monitoring its angular position is installed on the armature shaft,

- ротор выполнен из магнитомягкого материала,- the rotor is made of soft magnetic material,

- устройство контроля углового положения четырехполюсного якоря выполнено в виде емкостного датчика.- the device for controlling the angular position of the four-pole armature is made in the form of a capacitive sensor.

В устройстве отклонения светового пучка новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между ними позволяют отказаться от торсиона, в отличие от ближайшего аналога, сгладить резонансную кривую сканирования, что позволило на частоте ~230 Гц возвращаться в начальное положение, а на частоте 50 Гц осуществлять сканирование с КПД 80%, получить более жесткую магнитную связь со статором с резонансной характеристикой колебания зеркала и КПД сканирования не менее 80%.In the device for deflecting the light beam, a new set of structural elements, as well as the presence of connections between them, make it possible to abandon the torsion bar, in contrast to the closest analogue, to smooth the resonance scanning curve, which allowed returning to the initial position at a frequency of ~ 230 Hz, and at a frequency of 50 Hz scanning with an efficiency of 80%, to get a more rigid magnetic connection with a stator with a resonant characteristic of oscillation of the mirror and the scanning efficiency of at least 80%.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где:The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображено продольное сечение предлагаемого устройства;figure 1 shows a longitudinal section of the proposed device;

на фиг.2 изображено поперечное сечение А-А на фиг.1;figure 2 shows a cross section aa in figure 1;

на фиг.3 изображены графики зависимости величины сигнала от времени: 1 - форма сигнала питающего напряжения; 2 - форма сигнала с датчика углового положения, с которого вычисляется КПД сканирования, которое равно отношению времени пологого участка графика к полному времени одного сканирования.figure 3 shows graphs of the dependence of the magnitude of the signal on time: 1 - waveform of the supply voltage; 2 is a waveform from an angular position sensor from which the scanning efficiency is calculated, which is equal to the ratio of the time of a gentle portion of the graph to the total time of one scan.

Устройство отклонения светового пучка содержит корпус 1 (фиг.1), в котором на двух шарнирных опорах установлен вал 2 (фиг.2), с закрепленным на нем зеркалом 3. Привод зеркала выполнен в виде статора 4 и ротора 5. Ротор 5 жестко установлен на валу 2. Статор 4 выполнен в виде четырех катушек 6, соединенных последовательно и сдвинутых одна относительно другой по окружности вокруг ротора 5 на 90°. Сердечники 7 катушек 6 выполнены в виде постоянных магнитов, которые создают магнитный поток Ф₁ и Ф₂ - межполюсные магнитные потоки. Пара катушек 6 намотана в одну сторону, другая пара - в другую сторону, по ходу протекания тока. Ротор 5 выполнен в виде четырехполюсного якоря (фиг.1) из магнитомягкого материала. На валу якоря установлено устройство контроля его углового положения 8. Ротор 5 жестко установлен на валу.The light beam deflecting device comprises a housing 1 (Fig. 1), in which a shaft 2 (Fig. 2) is mounted on two articulated supports, with a mirror 3 mounted on it. The mirror drive is made in the form of a stator 4 and rotor 5. The rotor 5 is rigidly mounted on the shaft 2. The stator 4 is made in the form of four coils 6 connected in series and shifted one relative to the other around the circumference around the rotor 5 by 90 °. The cores 7 of the coils 6 are made in the form of permanent magnets, which create a magnetic flux F ₁ and F ₂ - interpole magnetic fluxes. A pair of coils 6 is wound in one direction, another pair in the other direction, in the direction of current flow. The rotor 5 is made in the form of a four-pole armature (figure 1) of soft magnetic material. A device for monitoring its angular position is installed on the armature shaft 8. The rotor 5 is rigidly mounted on the shaft.

Работает устройства следующим образом.The device operates as follows.

Ротор 5 с четырехполюсным якорем под действием магнитных потоков Ф₁ от магнитов катушек 6 и потоков Ф₂ от межполюсных магнитных потоков находится в устойчивом положении, как изображено на фиг.1, при заданном положении магнитных сердечников 7 и заданном подключении катушек 6. При включении переменного напряжения на катушки 6 равновесие магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ нарушается и ротор 5 поворачивается вместе с валом 2 по часовой стрелке или против часовой в зависимости от знака напряжения.The rotor 5 with a four-pole armature under the action of magnetic fluxes F ₁ from the magnets of the coils 6 and fluxes F ₂ from the interpole magnetic fluxes is in a stable position, as shown in figure 1, at a given position of the magnetic cores 7 and a given connection of the coils 6. When you turn on the variable voltage on the coil 6, the equilibrium of the magnetic fluxes F ₁ and F _{2 is} violated and the rotor 5 rotates together with the shaft 2 clockwise or counterclockwise depending on the sign of the voltage.

Техническое решение позволяет значительно уменьшить потребление энергии прибором.The technical solution can significantly reduce the energy consumption of the device.

Пример конкретного выполненияConcrete example

В настоящее время изготовлен опытный образец, который прошел стационарные испытания.Currently, a prototype has been manufactured, which has passed stationary tests.

Claims (3)

1. Устройство для отклонения светового пучка, содержащее корпус, в котором на двух опорах установлен вал с закрепленным на нем зеркалом, привод зеркала, выполненный в виде статора и ротора и установленный на одном конце вала, отличающееся тем, что статор выполнен из четырех катушек, соединенных последовательно и сдвинутых одна относительно другой по окружности вокруг ротора на 90°, при этом первая пара катушек намотана в одну сторону, другая пара катушек - в другую сторону, по ходу протекания тока, причем сердечники катушек выполнены в виде постоянных магнитов, кроме того, ротор выполнен в виде четырехполюсного якоря с устройством контроля его углового положения, установленного на валу.1. A device for deflecting a light beam, comprising a housing in which a shaft with a mirror mounted on it is mounted on two supports, a mirror drive made in the form of a stator and a rotor and mounted on one end of the shaft, characterized in that the stator is made of four coils, connected in series and shifted one relative to the other around the circumference around the rotor by 90 °, while the first pair of coils is wound in one direction, the other pair of coils in the other direction, along the flow of current, and the cores of the coils are made in the form of Standing magnets, moreover, the rotor is designed as a four-pole armature with a device controlling its angular position, mounted on the shaft. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ротор выполнен из магнитомягкого материала.2. The device according to claim 1, characterized in that the rotor is made of soft magnetic material. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство контроля углового положения четырехполюсного якоря выполнено в виде емкостного датчика. 3. The device according to claim 1, characterized in that the device for controlling the angular position of the four-pole armature is made in the form of a capacitive sensor.

Images