一种电磁致动二维快速偏转镜系统的制作方法
【专利摘要】一种电磁致动二维快速偏转镜系统，其包括反射镜模块、动台模块与静台模块，所述反射镜模块、动台模块与静台模块依次连接；所述动台模块包括永磁铁组件与支撑板组件，所述静台模块包括电磁铁组件，所述永磁铁组件与所述支撑板组件固定连接，所述电磁铁组件通电产生磁场驱动所述永磁铁组件移动，所述支撑板组件在所述永磁铁组件的移动下沿所述支撑板组件的水平轴线偏转，所述支撑板组件偏转带动所述反射镜模块偏转。本发明采用永磁铁与电磁铁驱动力矩导致反射镜模块偏转，供电电压较低而运动行程较大，同时也不存在迟滞和蠕变现象的优点；同时本发明提供的静台模块在整个驱动反射镜模块偏转过程中位置不变，整个系统更稳定、可靠。
【专利说明】一种电磁致动二维快速偏转镜系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二维快速偏转镜，特别是一种通过永磁铁与电磁铁作用力产生驱动力矩导致镜面偏转的电磁致动二维快速偏转镜系统。
【背景技术】
[0002]二维快速偏转镜是光学扫描器件的一种,可实现光束扫描、光束定位、目标跟踪，是激光雷达、自适应光学、空间激光通信等应用领域的关键器件之一。
[0003]二维快速偏转镜的工作原理是驱动器产生角位移或线位移，驱动附加在其上的反射镜实现角度二维偏转。
[0004]在现有的二维快速偏转镜系统中，广泛使用的驱动方式为音圈电机驱动方式和压电晶体驱动方式。音圈电机在小功耗的输入下可实现镜面大范围的偏转，但由于音圈电机的输出力小、刚度低，使得系统响应速度受限，且由于线圈和磁铁的不断相对运动，影响系统可靠性；压电晶体驱动方式可以实现快速响应，控制精度较高，但存在迟滞和蠕变现象，输出范围有限，镜面的偏转范围小，且需要的供电电压较高。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种电磁致动二维快速偏转镜系统，其包括反射镜模块、动台模块与静台模块，所述反射镜模块、动台模块与静台模块依次连接；
所述动台模块包括永磁铁组件与支撑板组件，所述静台模块包括电磁铁组件，所述永磁铁组件与所述支撑板组件固定连接，所述电磁铁组件通电产生磁场驱动所述永磁铁组件移动，所述支撑板组件在所述永磁铁组件的移动下沿所述支撑板组件的水平轴线偏转，所述支撑板组件偏转带动所述反射镜模块偏转。
[0006]较佳地，所述永磁铁组件包括四个90度间隔分布的第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁，所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁分别通过永磁铁安装架与所述支撑板组件连接；所述电磁铁组件通电产生磁场驱动所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁移动，所述第一永磁铁、第三永磁铁带动所述支撑板组件沿第一水平轴偏转，所述第二永磁铁、第四永磁铁带动所述支撑板组件沿第二水平轴偏转。
[0007]较佳地，所述电磁铁组件包括与所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁位置对应的第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁与第四电磁铁，所述各永磁铁与其对应的各电磁铁之间始终保持吸相互吸引。
[0008]较佳地，所述第一永磁铁、第一电磁铁之间的磁场产生的作用力与所述第三永磁铁、第三电磁铁之间的磁场产生的作用力相反，所述第二永磁铁、第二电磁铁之间的磁场产生的作用力与所述第四永磁铁、第四电磁铁之间的磁场产生的作用力相反。
[0009]较佳地，所述支撑板组件包括相互连接的刚性支撑板与弹性膜片，所述弹性膜片与所述永磁铁组件连接，所述刚性支撑板与所述反射镜模块连接；所述永磁铁组件在所述电磁铁组件的作用下带动所述弹性膜片产生形变，其中所述第一永磁铁、第一电磁铁之间的作用力与所述第三永磁铁、第三电磁铁之间的作用力使所述弹性膜片形变带动所述刚性支撑板沿第一水平轴偏转，所述第二永磁铁、第二电磁铁之间的作用力与所述第四永磁铁、第四电磁铁之间的作用力使所述弹性膜片形变带动所述刚性支撑板沿第二水平轴偏转。
[0010]较佳地，所述静台模块还包括四个位移传感器与一传感器安装架，所述动台模块还包括一传感器测量极板；所述位移传感器安装在所述传感器安装架上，所述传感器测量极板与所述刚性支撑板连接，所述刚性支撑板转动带动所述传感器测量极板位移，所述位移传感器通过差动测量所述传感器测量极板的位移得到绕所述第一水平轴、第二水平轴偏转的角度。
[0011]较佳地，所述反射镜模块包括反射镜、反射镜安装架与反射镜固定装置，所述反射镜设于所述反射镜安装架内，所述反射镜固定装置将所述反射镜固定在所述反射镜安装架内。
[0012]较佳地，所述电磁铁组件还包括设于其外侧的电磁屏蔽板，所述电磁屏蔽板与各所述电磁铁连接，所述电磁屏蔽板与所述传感器安装架固定连接。
[0013]较佳地，所述弹性膜片通过垫片与所述传感器安装架连接。
[0014]较佳地，所述静台模块还包括一底板，所述各电磁铁分别设于所述底板的凹槽中，所述底板与所述传感器安装架连接。
[0015]本发明采用永磁铁与电磁铁驱动力矩导致反射镜模块偏转，供电电压较低而运动行程较大，同时也不存在迟滞和蠕变现象的优点；同时本发明提供的静台模块在整个驱动反射镜模块偏转过程中位置不变，整个系统更稳定、可靠；本发明采用四组90度间隔分布的永磁铁与电磁铁驱动，方便准确的控制反射镜模块的偏转角度。
[0016]当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例提供的电磁致动二维快速偏转镜系统三维示意图；
图2A为本发明实施例提供的电磁致动二维快速偏转镜系统俯视图；
图2B为本发明实施例提供的电磁致动二维快速偏转镜系统的剖视图；
图2C为本发明实施例提供的电磁致动二维快速偏转镜系统的轴肩位置结构示意图； 图3A为本发明实施例提供的支撑板组件在电磁铁未通电时的位置示意图；
图3B为本发明实施例提供的支撑板组件在电磁铁通电时的位置示意图。
具体实施例
[0018]本发明实施例提供了一种电磁致动二维快速偏转镜系统，如图1所示，其包括反射镜模块1、动台模块2与静台模块3，反射镜模块1、动台模块2与静台模块3依次连接；图2A为本发明实施例提供的电磁致动二维快速偏转镜系统俯视图；
所述动台模块包括永磁铁组件与支撑板组件，所述静台模块包括电磁铁组件，所述永磁铁组件与所述支撑板组件固定连接，所述电磁铁组件通电产生磁场驱动所述永磁铁组件移动，所述支撑板组件在所述永磁铁组件的移动下沿所述支撑板组件的水平轴线偏转，所述支撑板组件偏转带动所述反射镜模块偏转。[0019]在本实施例中所述永磁铁组件包括四个90度间隔分布的第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁，所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁通过永磁铁安装架与所述支撑板组件连接。所述电磁铁组件包括四个与所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁位置对应的第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁与第四电磁铁，所述各永磁铁与其对应的各电磁铁之间始终保持吸引力。
[0020]所述第一永磁铁、第一电磁铁之间的磁场产生的作用力与所述第三永磁铁、第三电磁铁之间的磁场产生的作用力相反，所述第二永磁铁、第二电磁铁之间的磁场产生的作用力与所述第四永磁铁、第四电磁铁之间的磁场产生的作用力相反。
[0021 ] 本例给出的四个永磁铁为钕铁硼材料，充磁方向相同，依靠吸力固定于永磁铁安装架10的凹槽内，相隔180度的任意两个电磁铁的线圈通电方向是相反的；当然本发明也
可以采用其他材质的永磁铁，本发明不再--列举永磁铁的种类，本发明提供的各个永磁
铁的充磁方向可以任意设置，但需要保证相隔180度的任意两个电磁铁与对应的两个永磁铁产生的两组磁场力方向是相反的。
[0022]如图2B所示，所述支撑板组件包括相互连接的刚性支撑板7与弹性膜片8，弹性膜片8与所述永磁铁组件连接，刚性支撑板7与所述反射镜模块连接；所述永磁铁组件在所述电磁铁组件的作用下带动弹性膜片8产生形变，其中所述第一永磁铁、第一电磁铁之间的作用力与所述第三永磁铁、第三电磁铁之间的作用力使弹性膜片5形变带动刚性支撑板7沿第一水平轴偏转，所述第二永磁铁、第二电磁铁之间的作用力与所述第四永磁铁、第四电磁铁之间的作用力使弹性膜片8形变带动刚性支撑板7沿第二水平轴偏转。如图2B所示，给出了一个永磁铁11与电磁铁14，其余三个永磁铁与电磁铁的结构、安装状态与永磁铁11、电磁铁14的相同。
[0023]所述静台模块还包括四个位移传感器12与一传感器安装架13，所述动台模块还设有一传感器测量极板9 ;各位移传感器12安装在传感器安装架13上，传感器测量极板9与刚性支撑板7连接，刚性支撑板7转动带动传感器测量极板9位移，位移传感器12通过差动测量传感器测量极板9的位移解算出绕两轴偏转的角度。本例中位移传感器12为非接触位移传感器，四个非接触位移传感器12布置在四个铁芯间相隔45°的位置，通过传感器安装架13上的卡箍进行调节和固定。当然本发明并不对位移传感器12的传感器类型与设置方式限定，本实施例仅为本发明的一种较佳的实施方式。
[0024]本实施例中，刚性支撑板7通过内部四个凸起与弹性膜片8、传感器测量极板9、永磁铁安装架10内部的四个凹槽定位，四者通过螺钉连接；四个永磁铁安装架10为导磁材料，以90°为间隔均布；四个永磁铁依靠吸力固定于永磁铁安装架10的凹槽内；弹性膜片8采用2号铍青铜材料，并经过时效处理，传感器安装架13通过螺钉连接动台模块2与静台模块3并压紧；如图2C所示，传感器安装架13的轴肩与弹性膜片8之间可增减垫片以调整动台模块2与静台模块3的初始位置，弹性膜片8上方的垫片用于保护膜片，防止螺钉旋入时损坏其表面。
[0025]本实施例提供的电磁致动二维快速偏转镜系统具体工作过程为:
图3A为本发明实施例提供的支撑板组件在电磁铁未通电时的位置示意图；图3B为本发明实施例提供的支撑板组件在电磁铁通电时的位置示意图。
[0026] 其中粗实线表示弹性膜片8的理想初始位置，粗虚线表示弹性膜片的实际初始位置，细实线表示刚性支撑板7的理想初始位置，细虚线表示刚性支撑板7的实际初始位置，粗点划线表示通电后的弹性膜片7处于位移状态的位置，细点划线表示通电后的刚性支撑板7处于位移状态的位置。
[0027]安装完成后，在不加电流的情况下，永磁铁由于初始充磁即对电磁铁产生吸引力，即四个永磁铁处相应受到四个向下的力，弹性膜片8产生变形，使刚性支撑板7带动其上的反射镜模块I向下平移，此为实际初始位置。
[0028]实际工作时，通入电流后，由于相隔180°的两个铁芯为一根导线反向绕线，即实际一个通入正向电流，使电磁吸引力增大，另一个通入反向电流，使电磁吸引力减小，但仍保证为吸引力，不产生排斥力。此时，两边受力不平衡产生的合力矩使刚性支撑板7带动其上的反射镜模块I发生偏转；弹性膜片8的弹性变形产生与偏转角度成比例的回复力矩，用于平衡电磁力产生的力矩。
[0029]弹性膜片8理论上具有固有的无限分辨率，因此偏转精度完全由传感器12的测量精度决定。为实现镜面快速偏转，只需快速改变电流大小和方向，而在整个工作过程中线圈和铁芯是静止不动的，即在静止元件和运动元件之间不存在电气连接，极大地提高了可靠性。
[0030]本发明采用永磁铁与电磁铁驱动力矩导致反射镜模块偏转，供电电压较低而运动行程较大，同时也不存在迟滞和蠕变现象的优点；同时本发明提供的静台模块在整个驱动反射镜模块偏转过程中位置不变，整个系统更稳定、可靠；本发明采用四组90度间隔分布的永磁铁与电磁铁驱动，方便准确的控制反射镜模块的偏转角度。
[0031]以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的【具体实施方式】。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属【技术领域】技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
【权利要求】
1.一种电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，包括反射镜模块、动台模块与静台模块，所述反射镜模块、动台模块与静台模块依次连接； 所述动台模块包括永磁铁组件与支撑板组件，所述静台模块包括电磁铁组件，所述永磁铁组件与所述支撑板组件固定连接，所述电磁铁组件通电产生磁场驱动所述永磁铁组件移动，所述支撑板组件在所述永磁铁组件的移动下沿所述支撑板组件的水平轴线偏转，所述支撑板组件偏转带动所述反射镜模块偏转。
2.如权利要求1所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述永磁铁组件包括四个90度间隔分布的第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁，所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁分别通过永磁铁安装架与所述支撑板组件连接；所述电磁铁组件通电产生磁场驱动所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁移动，所述第一永磁铁、第三永磁铁带动所述支撑板组件沿第一水平轴偏转，所述第二永磁铁、第四永磁铁带动所述支撑板组件沿第二水平轴偏转。
3.如权利要求2所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述电磁铁组件包括与所述第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁与第四永磁铁位置对应的第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁与第四电磁铁，所述各永磁铁与其对应的各电磁铁之间始终保持相互吸引。
4.如权利要求3所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述第一永磁铁、第一电磁铁之间的磁场产生的作用力与所述第三永磁铁、第三电磁铁之间的磁场产生的作用力相反，所述第二永磁铁、第二电磁铁之间的磁场产生的作用力与所述第四永磁铁、第四电磁铁之间的磁场产生的作用力相反。
5.如权利要求4所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述支撑板组件包括相互连接的刚性支撑板与弹性膜片，所述弹性膜片与所述永磁铁组件连接，所述刚性支撑板与所述反射镜模块连接；所述永磁铁组件在所述电磁铁组件的作用下带动所述弹性膜片产生形变，其中所述第一永磁铁、第一电磁铁之间的作用力与所述第三永磁铁、第三电磁铁之间的作用力的差值使所述弹性膜片形变带动所述刚性支撑板沿第一水平轴偏转，所述第二永磁铁、第二电磁铁之间的作用力与所述第四永磁铁、第四电磁铁之间的作用力的差值使所述弹性膜片形变带动所述刚性支撑板沿第二水平轴偏转。
6.如权利要求5所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述静台模块还包括四个位移传感器与一传感器安装架，所述动台模块还包括一传感器测量极板；所述位移传感器安装在所述传感器安装架上，所述传感器测量极板与所述刚性支撑板连接，所述刚性支撑板转动带动所述传感器测量极板位移，所述位移传感器通过差动测量所述传感器测量极板的位移并得出绕所述第一水平轴、第二水平轴偏转的角度。
7.如权利要求1所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述反射镜模块包括反射镜、反射镜安装架与反射镜固定装置，所述反射镜设于所述反射镜安装架内，所述反射镜固定装置将所述反射镜固定在所述反射镜安装架内。
8.如权利要求6所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述电磁铁组件还包括设于其外侧的电磁屏蔽板，所述电磁屏蔽板与各所述电磁铁连接，所述电磁屏蔽板与所述传感器安装架固定连接。
9.如权利要求6所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述弹性膜片通过垫片与所述传感器安装架连接。
10.如权利要求3所述的电磁致动二维快速偏转镜系统，其特征在于，所述静台模块还包括一底板，所述各电磁铁分别 设于所述底板的凹槽中，所述底板与所述传感器安装架连接。
【文档编号】G02B26/08GK103913839SQ201410094180
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】杨悦, 徐晓东, 苗军, 李瑞祥 申请人:上海宇航系统工程研究所