Пристрій для високочастотного відхилення оптичного променя

Пристрій для високочастотного відхилення оптичного променя, що містить основний елемент у вигляді біморфного елемента, утвореного п'єзокерамічними елементами, що з'єднані між собою, і 3 42788 4 час коливань першого і другого дзеркал для утвомогам мікросистемних технологій, тобто можуть рення світових проекційних точок [2]. бути виконані у вигляді мікромеханічних систем. Недоліками наведеного електромагнітного При цьому у таких систем різко підвищується пристрою для відхилення дзеркала є всі тіж недошвидкодія (від сотен тисяч до мільйонів зміни зналіки, що і в пристрої раніше наведеному. ка кута відхилення відбиваючого дзеркала в секуВідомий пристрій, який має твердотільний винду), вони стійкі до вібрацій та перевантажень, конавчий елемент у вигляді сегнетокерамічного більш економічні і мають значний термін викорисстержня з хрестоподібним розрізом закріпленим тання. на основі з кільцевим поворотним елементом, що Поставлена задача вирішується тим, що назакріплений на периферійній частині зріза стержправлення оптичного променя (лазера) здійснюня. Стержень містить чотири з'єднані між собою ють у напрямку продольної осі монолітного вільно елементи з кутовим поперечним зрізом, а на пове- підвішеного п'єзокерамічного елемента який під рхнях утворюючих пластин нанесені зовнішні елевпливом змінного електричного поля здійснює ктроди. Електроди на поверхнях механічного з'єдзгинаючі коливання відносно своєї продольної осі, нання всіх кутових елементів електричне з'єднані і а основний елемент виконаний у вигляді монолітутворюють внутрішній електрод стержня. Зовнішні ного стержня із поляризованої п'єзоелектричної електроди стержня електричне з'єднані так, що кераміки і розміщений в м'яких підвісах, а відбиваутворюють дві вісесиметричні системи, які підключі (дзеркала) оптичного випромінювання виконані чені до вихода двохканального джерела. Внутріна зрізах вуглів обох торців стержня однієї із його шній електрод підключений до загального вивода сторін. джерела управління напругою. Кільцевий повороВиходячи із зазначеного, саме поєднання натний елемент механічно з'єднаний з робочим орведених ознак і сукупність суттєвих ознак способу і ганом [3]. пристрою забезпечує значне збільшення частоти Недоліками наведеного пристрою є те, що визміни знака при збереженні великої амплітуди кута конуючий елемент його виконаний із сегнетоелеквідхилення оптичного променя. трика, який характеризується низькою ефективнісСуть запропонованої корисної моделі пояснютю перетворення електричних сигналів у механічні ється кресленнями, що зображені на: деформації, а крім цього конструкція наведеного Фіг.1 - Структурна схема для демонстрації дефлектора містить декілька елементів. Тільки по способу та пристрою (а) та схема електричної коцій причині його не можна називати "твердотілим" мутації (б) електродів дефлектора оптичних протобто монолітним. Наявність з'єднаних декількох менів з використанням пружних коливань попеелементів у конструкції знижує надійність, швидречного вигина вільного стержня. кодійність і виключає можливість використання в Фіг.2 - Схема відхилення оптичного променя. мікросистемних технологіях. Фіг.3 - Залежність кута відхилення відбивача Найбільш близьким пристроєм, який забезпеоптичного променя від кругової частоти зміни значує реалізацію відповідного способу і застосовука різниці електричних потенціалів. ється за тим же призначенням, що і заявлений, є Фіг.4 - Залежність частоти першого резонансу пристрій, що включає відбивач який з'єднаний з від довжини стержня із пєзокераміки ЦТС - 19 (d = біморфним п'єзокерамічним двокоординатним 1 мм) приводом з системою електродів з'єднаних з блоФіг.5 - Прогин вільної балки на перших трьох ком управління [4]. Зазначений пристрій вибраний резонансних частотах. Стержневий високочастоту якості прототипа. ний дефлектор оптичного випромінювання (Фіг.1) У наведеному пристрої, використовується міявляє собою тонкий призматичний стержень 1 німальна кількість елементів для забезпечення прямокутного поперечного перерізу з поляризовавідхилення відбиваючого дзеркала, що є неодмінної п'єзоелектричної кераміки. Напрямок поляриною умовою використання пристрою в мікросистезації матеріалу стержня 1 показане на Фіг.1. На дві мних технологіях. поверхні стержня 1 х3 = ± h нанесена пара електДо причин, що перешкоджають досягненню родів 3. Електроди 3 підключені до джерела гарочікуваного технічного результату при використанмонійно змінюючого в часі різниці, електричних ні відомого способу і пристрою відноситься те, що потенціалів u(t)=U0eiwt (U0 - амплітуда; і = - 1 ; w у ньому робочий елемент виконаний із двох клеєкругова частота; t - час). На зрізах вуглів обох торних п'єзоелектричних елементів. Клеєні п'єзоелекців стержня 1 однієї із його сторін виконані відбитричні елементи з часом змінюють свої властивосвачі (дзеркала) оптичного випромінювання 2, приті та обмежують швидкодію пристроїв. Це свідчить чому нахил площин відбивачів до площин торців про те, що прототип має низький рівень надійності, стержня 1 знаходиться під кутом 45. малу швидкодію (не більше 20кГц - двадцять тисяч Поворот мініатюрного відбивача оптичного змін знака кута відхилення відбиваючого дзеркала променя 2 (Фіг.1) відбувається в результаті колив секунду), а значить не може бути використаний в вань поперечного вигину стержня 1, що виготовмікросистемних технологіях. лений з п'єзоелектричної кераміки і розміщений в П'єзоелектричні пристрої для відхилення відабсолютно м'яких підвісах, які не роблять опору биваючого дзеркала характеризуються більшою переміщенням матеріальних часток стержня. надійністю (у порівнянні з раніше наведеними) Оскільки мова йде про частоти зміни знака кумають високу швидкодію і зберігають свої властита повороту світлового променя порядку одиниць вості протягом значного часу (10-15 років). Крім кілогерц, остільки єдиним способом порушення цього п'єзоелектричні пристрої відхилення світовоколивань поперечного вигину в стержні 1 є зворого променя (дефлектори) можуть відповідати витний п'єзоелектричний ефект. Із цієї причини сте 5 42788 6 E ржень прямокутного поперечного перерізу виготоc cE E E ˆ e12 = e12 - 12 cE e11 - cE e12 - 23 c11e12 - c12e11 . вляється з кераміки ЦТС (цирконат титанат свин22 22 D0 D0 цю). На поверхні x1 = ± b стержня 1 по всій довжині Кути повороту торцевих поперечних перерізів L наносяться методом вжигания срібної пасти по x2=±L/2 стержня, чисельно рівні кутам поворотів a два електрода з кожної сторони. Між електродами мініатюрних відбивачів оптичного променя (Фіг.1) залишають вузький проміжок шириною 2d. Після визначаються по формулі: цього матеріал стержня 1 поляризується постійˆ e UL ¶w( x 2 ) ним електричним полем напруженістю порядку 2 a= = m 12 0 F( lL), (4) МВ/м у напрямку координатної осі Ох1. ¶x 2 x =L YEdb 2 Спосіб високочастотного відхилення оптичного де F((L) - безрозмірна функція, що залежить променя та робота стержневого дефлектора лазевід частоти зміни знака різниці електричних потенрного випромінювання можуть бути продемонстціалів, причому ровані наступним чином. sin(lL / 2 )sh( lL / 2) Матеріал поляризованого стержня здобуває , (5) F( lL ) = ( lL / 2)[cos( l L / 2)sh( lL / 2 ) + sin(lL / 2 )ch( lL / 2 )] властивості п'єзозлектрика гексагональної сингонії з поворотною віссю симетрії шостого порядку оріде хвильове число l = 4 3r0w2 /( YE d2 ) ; r0 єнтованої уздовж напрямку поляризующего поля, щільність матеріалу стержня. тобто уздовж осі Ох1. При цьому матриця модулів Якщо хвильове число l приймає тільки дійсні E пружності c ab приймає наступний вид: значення, то на деяких частотах wn (n = 1, 2, ...) E E E знаменник формули (5) звертається в нуль і проc11 c12 c13 0 0 0 гини стержня й, відповідно, кути повороту a необE E c 22 c 23 0 0 0 межена зростають. Ці частоти прийнята називати cE 0 0 0 33 частотами резонансів. Резонансним частотам wn , cE = (1) ab cE 0 0 відповідають власні числа lnL / 2 = mn . Величини 44 cE 0 mn мають сенс корінь трансцендентного рівняння 55 cos(lL/2)sh(lL/2)+sin(lL/2)ch(lL/2)=0. Перші чотиcE 66 ри корені мають наступні значення: m1 = 2,365020; E E дн c12 = c13 ; c E = cE ; c E = c E . m2 = 5,497804; m 3 = 8,639380; m4 = 11,780973. То22 33 55 66 му що в реальних матеріалах, у тому числі й п'єП'єзоелектричні ефекти в стержні 1 визначазоелектриках, існують втрати енергії, то прогини ються матрицею п'єзомодулей наступного виду: стержня і кути повороту відбивача оптичного виe11 e12 e13 0 0 0 промінювання на резонансних частотах мають ek b = 0 0 0 0 0 e26 , (2) кінцеві значення. У загальному випадку втрати ( 0 0 0 0 e35 0 де e12= e13 i e26= e35. Якщо електроди, нанесені на бічні поверхні стержня 1, підключити до джерела гармонічно змінюючого в часі за законом eiwt (i = - 1 ; w - кругова частота зміни знака; t - час) електричної напруги з амплітудним значенням U0 так, як це показано на Фіг.1, то в стержні 1 виникає згинальний момент Миeiwt, що деформує вісь стержня в площині х3Ох2. Амплітудне значення згинального моменту розраховується по формулі æ ¶2 e U ö ˆ Ми = -Dç - 12 0 ÷, (3) ç ¶x 2 YEdb ÷ è 2 ø де D = 8YEbd3/6 - згинальна твердість стержня; E Y - модуль Юнга матеріалу стержня в режимі сталості напруженості електричного поля; числове значення модуля Юнга визначається через довідкові величини cE по формулі: ab YE = ( ) ( E c12 E E cE E E E c12c 23 - cE cE + c E + 23 c12c12 - c11cE 22 12 22 23 D0 D0 ) E E , де D0 = c11cE - c12cE ; w - прогин консольнo за22 12 кріпленого стержня (відхилення вигнутої осі від ˆ первісного, недеформованого, положення); e12 наведений п'єзомодуль - його числове значення визначається через довідкові величини в такий спосіб: ) ( ) енергії в матеріалі стержня обернено пропорційні добротності Q матеріалу (довідкова величина; для п'єзокераміки типу ЦТС - 19 параметр Q = 60 - 80). При цьому YE =Y(E(1+i/Q), де YE0 - статичний модуль Юнга. На Фіг.2 наведена схема відхилення оптичного променя, а на Фіг.3 наведені результати розрахунків абсолютної величини кутів поворотів а, які були виконані по формулі (4) для п'єзокераміки ЦТС - 19 ˆ (r0 = 7440 кг/м3; e12 =-8,38 Кл/м2; Y0E=66,3 ГПа; Q = 60). Геометричні параметри стержня мають наступні значення: d = 0,25 мм; L/b = 20. Амплітуда різниці електричних потенціалів U0 = 10В. По осі ординат на Фіг.3 відкладені значення кута повороту a у дугових секундах. По осі абсцис - числові значення безрозмірної відносної кругової частоти x=2pf1/w), де f1 - циклічна частота першого резонансу. Числові значення циклічної частоти f1 від довжини стержня L з п'єзокераміки ЦТС - 19 показані графіком на Фіг.4. Параметр d = 1 мм. 3 наведених на Фіг.4 даних треба, що частоти зміни знака кута відхилення оптичного променя понад 8 кГц можуть бути досягнуті за умови, що довжина стержня L < 20 мм. Таким чином, можна зтверджувати, що використання коливань поперечного вигину вільного стержня дозволяє підвищити частоту зміни знака кута відхилення оптичного променя (швидкодія дефлектора оптичного випромінювання) не менш чим у три рази в порівнянні із прототипом - дефлектором на основі консольне закріпленого п'єзокерамічного стержня. 7 42788 8 Кут повороту відбивача відхилення оптичного x2) нормований також на величину w (f1, L/2), але отримані числові значення збільшені в 10 разів променя на частоті першого резонансу (точка x = 1 для того, щоб їх можна було показати в одному на Фіг.3) досягає максимального амплітудного масштабі разом із кривою w (f2, x2). Прогини на значення 432 дугових секунд. Це більш ніж у сімтретій резонансній частоті мають той же порядок, десят разів перевищує максимальні кути повороту що і прогини на другій резонансній частоті. Таким відбивача оптичного променя при використанні чином, можна зробити висновок, що вільна балка крутильних коливань п'єзокерамічного стержня і на (стержень разом з мініатюрними відбивачами оп30% перевищує максимальний кут відхилення, що тичного променя) досить ефективно (з погляду забезпечує дефлектор на основі консольнo закріппрактичних застосувань) рухається на частотах леного стержня. Крива a(x) для дрібного кроку змін першого і другого резонансу. значень параметра (представлена на урізанні в Використання коливань поперечного вигину правому куті поля Фіг.3. вільно закріпленого стержня з п'єзокераміки доВарто підкреслити, що другий резонанс, якому зволяє реалізувати дефлектор оптичного випромівідповідають частоти f2 = 2,32f1 досить яскраво нювання, що перевершує аналоги як по швидкодії, виражений (Фіг.3). Це дозволяє ще більш ніж у два так і по амплітуді відхилення оптичного променя. рази підвищити швидкодію дефлектора оптичного Джерела інформації: випромінювання при збереженні досить більших, 1. Патент Російської Федерації № 2338231, до однієї дугової хвилини, амплітуд кутів поворотів опуб. 10.11.2008р. відбивачів оптичного випромінювання. Це поясню2. Патент Російської Федерації № 2275664, ється специфікою поперечних коливань вільної опуб.04.27.2006р. балки. На Фіг.5 наведені форми прогинів вільної 3. Патент Російської Федерації № 2260828, балки на перших трьох резонансних частотах. опуб.20.09.2005р. Втрати енергії в матеріалі стержня відповідають 4. Авторське свідоцтво СРСР № 1045205, добротності Q = 60. Прогин на першій резонансній опуб.30.09.1983р., бюл. № 36. частоті (символ w (f1, x2) біля відповідної кривої на Фіг.5) нормований на максимальну величину w (f1, L/2). Прогини на другій резонансній частоті w (f2, 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 42788 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601