MULTIOBJETO

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo posicionador de fibras ópticas para espectrógrafos multiobjeto, tales como telescopios, permitiendo dicho posicionador una colocación precisa de las fibras sin interferir con los posicionadores adyacentes.

Antecedentes de la invención.

Los grandes telescopios basados en espectrógrafos multiobjeto cuentan, para recoger la luz emitida por las estrellas, con unos medios que comprenden una pluralidad de fibras ópticas distribuidas en un entramado de celdas hexagonales. Un gran telescopio puede comprender más de mil celdas hexagonales cada una de las cuales puede incorporar una o varias fibras ópticas.

Para observar una parte del firmamento, las fibras ópticas deben reposicionarse de forma que apunten hacia la parte del firmamento correspondiente, pero este reposicionamiento se debe hacer de forma individual, es decir, cada una de las celdas hexagonales se debe reposicionar individualmente respecto del resto de celdas para que la fibra óptica correspondiente se oriente en la dirección adecuada.

Los sistemas habituales para el posicionado de estas fibras ópticas, por ejemplo el sistema desarrollado por el LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY, comprenden un actuador o posicionador para cada fibra óptica, disponiendo dicho actuador de una carcasa que está alojada en un orificio de un soporte o corona de fijación. La carcasa del posicionador presenta una camisa exterior hexagonal (al menos en una parte del posicionador) y un cuerpo cilindrico que puede moverse respecto de la carcasa exterior. El posicionador va amarrado a la corona de fijación (por ejemplo mediante tornillos a través de la camisa exterior hexagonal). En el caso de las mil fibras ópticas usuales, tendríamos mil posicionadores alojados en mil orificios del soporte o corona de fijación para cada celda hexagonal.

En la solución de Berkeley cada posicionador comprende dos motores para el posicionado de la fibra. Un primer motor que comprende un eje de salida que actúa sobre un piñón, y una cremallera fijada a la carcasa exterior, de forma que el giro del eje del motor provoca el movimiento del cuerpo interior del posicionador (el motor y el piñón también giran al estar la cremallera fija respecto de la carcasa exterior). En el cuerpo del posicionador se encuentra montado un segundo motor que gira con todo el cuerpo del posicionador y cuyo eje de salida actúa sobre un piñón. Este piñón puede mover una cremallera lineal a través de dos piñones auxiliares, de forma que la cremallera puede desplazarse radialmente respecto del eje de giro del cuerpo del posicionador. En el extremo de la cremallera lineal se monta la fibra óptica de forma que el movimiento combinado de los dos motores puede posicionar la fibra óptica en cualquier punto del área circular definida por el extremo de la fibra respecto al eje de giro del posicionador.

Una solución parecida se encuentra descrita en la Patente de Invención China n°- 1 193122, de CHINESE SCIENCE AND TECHNOLOGY.

Estos sistemas tienen muchos problemas de precisión, fundamentalmente por el hecho de utilizar tres piñones y una cremallera lineal. Además, esta cremallera no se encuentra precargada, ya que con esta configuración no cabe en el posicionador un sistema de precarga, lo que aumenta las imprecisiones en el posicionamiento. Además, los dos motores se encuentran dispuestos en paralelo, a la misma altura respecto al cuerpo del posicionador, por lo que el segundo motor queda muy alejado de la cremallera lineal, debiendo utilizarse una barra muy delgada para transmitir el movimiento del eje de salida del motor a un piñón que actúa sobre la cremallera lineal; esta disposición presenta también muchos problemas de imprecisión porque esta barra delgada puede flexar o moverse radialmente respecto de su eje de giro.

La patente de invención china 2.344.786. de CHINA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY describe la realización de un posicionador de la fibra óptica alternativo para un telescopio de grandes dimensiones. Dicha patente describe una alternativa de posicionador, basada principalmente en que para el posicionamiento espacial de la fibra en el plano focal se utilizan dos movimientos de giro en lugar de un movimiento de giro y un desplazamiento radial.

Este posicionador describe fundamentalmente un mecanismo rotativo provisto de un eje central con un primer motor de accionamiento, y un mecanismo excéntrico de rotación de un brazo respecto al eje central, provisto de un segundo motor de accionamiento; encontrándose la fibra óptica fijada en el extremo de este brazo. Así, el mecanismo de revolución central tiene un ángulo de giro posicionable entre— 180 ^Q y +180 ⁵ , es decir, una revolución completa, mientras que el brazo excéntrico tiene un rango de giro comprendido entre -90 ⁵ y +90 ⁵ . La fibra óptica sujeta en el extremo del brazo excéntrico es posicionable en un punto cualquiera del área barrida de un círculo centrado en el dispositivo, debido a que el brazo excéntrico presenta una longitud equivalente a la mitad del radio máximo de posicionado y se encuentra articulado en un punto dispuesto, respecto al centro del eje central, a una distancia equivalente a la otra mitad de dicho radio máximo de posicionamiento. Los motores paso a paso, posibilitan el posicionamiento rápido de la fibra y que la construcción del posicionador sea notoriamente más sencilla que el posicionador de BERKELEY, al eliminar los mecanismos de correderas y las transmisiones por trenes de piñones, minimizando los errores por los juegos que estos engranajes presentan.

Sin embargo, el posicionador descrito en la patente China presenta serios problemas debido principalmente a la disposición de los motores de accionamiento, los cuales se encuentran desplazados hacia la parte media y posterior del posicionador. Esta disposición permite tener en la parte anterior del posicionador un mayor espacio para el movimiento de la fibra óptica, lo que reduce la posibilidad de que produzcan distorsiones en las observaciones por deformación o doblado de dicha fibra óptica; sin embargo, esta disposición obliga al uso de ejes y varillas de transmisión muy esbeltas entre el segundo motor de accionamiento y el brazo excéntrico, lo cual introduce nuevas imprecisiones debido a la torsión de la varilla de transmisión.

Además, el eje de salida del segundo motor está dispuesto en paralelo pero desfasado respecto del eje de giro del eje excéntrico por lo que incorpora un sistema de transmisión piñón/corona lo que provoca holgura y por tanto imprecisiones en el posicionado de la fibra.

Este dispositivo incorpora sistemas de recarga para los ejes de los motores que comprenden muelles de torsión que mantienen torsionado el eje del motor en todo momento de forma que los motores tienen que trabajar contra la torsión del muelle. De esta manera para mantener la posición de la fibra el motor debe estar en marcha para mantener el par generado por el muelle. Si se diera el caso de que el motor no ofrece par, por ejemplo por un corte de alimentación el dispositivo perdería la posición. Para que esto no ocurra el motor debe estar trabajando continuamente lo cual genera calor que resulta perjudicial para realizar una medición con fibras ópticas como en este caso. Además, este sistema de precarga resulta complejo en su montaje.

Este problema se acentúa en la construcción del telescópico, dado que en el soporte o placa focal de las fibras ópticas el número de posicionadores es elevado (en el telescopio LAMOST son aproximadamente 4000 dispositivos posicionadores), siendo estos posicionadores de diámetro reducido y longitud considerable.

Descripción de la invención

El dispositivo posicionador de fibras ópticas para espectrógrafos multiobjeto, de esta invención, presenta unas particularidades técnicas destinadas a ofrecer unos medios sencillos y fiables de posicionamiento de la fibra óptica, dado su reducido tamaño y bajo número de piezas, lo que permite que sea más sencillo, robusto y de menor coste de fabricación, obteniendo una elevada precisión de funcionamiento, necesaria en este tipo de aplicaciones. El dispositivo posicionador de fibras ópticas está basado en el mecanismo de dos movimientos de rotación para el posicionamiento de la fibra óptica, descrito en la Patente China n ⁵ 2344786 y comprende:

una carcasa alojable en un orificio de un soporte de fijación, presentando dicha carcasa unos medios de fijación al soporte,

un cuerpo que puede girar en el interior de dicha carcasa, un primer motor fijado en el cuerpo, estando el citado primer motor engranado mediante un piñón en una corona dentada fijada a la carcasa, de forma que el accionamiento del primer motor produce el giro solidario del cuerpo respecto de la carcasa, según un eje longitudinal de la carcasa,

un brazo configurado para el acoplamiento de una fibra óptica a posicionar que comprende un eje de giro excéntrico al citado eje longitudinal de la carcasa,

un segundo motor fijado en el cuerpo que está vinculado al eje de giro excéntrico del brazo de forma que le accionamiento del segundo motor produce el giro del citado eje de giro excéntrico

De acuerdo con la presente invención el dispositivo posicionador, comprende unos medios de acoplamiento entre el eje de giro excéntrico y un eje de salida del segundo motor que están configurados de forma que ambos ejes sean coincidentes, es decir, existe un acoplamiento directo sin transmisiones de ningún tipo, por ejemplo la transmisión piñón/corona, o varillas de torsión, con lo que se eliminan holguras entre ambos ejes. Por ello el dispositivo posicionador es más simple y preciso.

Los medios de acoplamiento pueden comprender un casquillo de acoplamiento, montado en una tapa superior del cuerpo y un conjunto de guiado del citado casquillo, que está alojado en el interior de la tapa superior y comprende unos cojinetes angulares enfrentados y presionados por muelles de torsión. Los cojinetes angulares tienen un anillo exterior fijado a la tapa superior y porque los muelles de torsión se disponen entre los rodamientos con intermediación de unas arandelas. De esta manera, el brazo está montado directamente sobre el eje del segundo motor, encontrándose este eje precargado y sin holguras. Además, se ha previsto que el segundo motor se fije a la tapa superior, de forma que un eje de salida del motor quede alojado en el interior de la citada tapa superior.

De esta manera, se consigue un acoplamiento rígido entre el eje de salida del segundo motor y eje de giro excéntrico del brazo que aporta la fibra óptica.

Con esta construcción se consiguen dos efectos importantes, que es la eliminación de transmisiones intermedias entre el brazo que mueve la fibra óptica y el segundo motor, y además, dicha articulación está realizada de forma precargada mediante cojinetes, lo cual permite que una vez posicionada la fibra óptica no sea necesario seguir alimentando el motor para mantener dicha posición, como si sucede en otros dispositivos (por ejemplo el dispositivo posicionado de la patente china n ⁵ 2344786, en el que la precarga se efectúa mediante un muelle de torsión antagónico al motor y ajustado por su par de fuerza continuo).

Como la posición se mantiene sin influencia del motor se consiguen dos mejoras importantes consistentes en que se ahorra energía y se reduce el calor generado por el motor eléctrico al poderse apagar reduciendo el efecto de la temperatura en los materiales de construcción, y se evitan las imprecisiones de sistemas sometidos a equilibrios por pares de fuerza opuestos. La eliminación de la varilla o eje de transmisión también anula la fuente de imprecisiones que ocasiona la torsión de dicha varilla.

El segundo motor puede estar montado en el cuerpo en una posición simétrica al primer motor respecto al eje longitudinal de la carcasa y quedando sus ejes respectivos aproximadamente alineados y consecutivos longitudinalmente en el cuerpo.

Así mismo, se ha previsto que los medios de fijación al soporte están dispuestos en correspondencia con la corona dentada de forma que la transmisión del primer motor se dispone en la zona más robusta, en lugar de colocar la transmisión en un extremo del cuerpo, como en el caso del dispositivo de Berkeley y torsionar todo el cuerpo desde esa posición extrema. Además, de esta manera la salida de cables de dicho primer motor es la natural por la parte posterior del cuerpo, facilitando el montaje del dispositivo.

El dispositivo puede comprender unos medios de precarga para el primer motor que comprenden una brida montada sobre el eje del primer motor y configurada para bascular respecto de un eje de basculación paralelo al eje del motor y un muelle configurado para hacer bascular la citada brida respecto del citado eje de basculación manteniendo el piñón presionado contra la corona dentada. Este sistema de precarga permite la eliminación de holguras y en consecuencia aumenta la precisión y repetitividad en el posicionado de la fibra. Además, el eje del motor no sufre ninguna flexión inadecuada, y el sistema de precargado también permite que el motor se pueda desconectar de la alimentación en el momento que el dispositivo está posicionado, ahorrando energía y reduciendo el efecto térmico del calor producido por el motor en marcha continua, tal como sucede en otros casos.

El dispositivo de la invención comprende preferentemente una carcasa que presenta en correspondencia con los medios de fijación al soporte un contorno exterior prismático hexagonal con un chavetero longitudinal de acoplamiento al soporte, lo que permite establecer una posición única de montaje, evitando así posibles riesgos de posicionado en un ángulo inadecuado. Para la sujeción del dispositivo al soporte se ha previsto que dicho contorno exterior prismático hexagonal cuente con unos rebajes longitudinales para la fijación de dicha parte posterior de la carcasa en la parte posterior del soporte mediante el apriete de unos tornillos alojados en dichos rebajes, fijando cada tornillo simultáneamente los dispositivos adyacentes. Estos tornillos no necesitan una especial configuración, sino que pueden ser tornillos métrica convencionales ajustados en longitud y en el cuello para el apoyo de los dispositivos y la penetración en el soporte.

Para evitar los problemas causados por la incertidumbre causada por el límite elástico en el uso de barras y contactos filares utilizados en otros dispositivos se ha optado por unos medios de referencia y topes mecánicos distintos, que por un lado aseguran que el cuerpo no puede girar más de una revolución aproximadamente, lo cual podría implicar daños a la fibra óptica, y que simultáneamente sirva para establecer la referencia posicional efectiva y fiable.

Así, se ha previsto que entre el cuerpo y la carcasa se encuentra un tope basculante de desplazamiento sobre un pivote fijo, y acoplable en su desplazamiento mutuo con un diente antagónico, permitiendo un giro del cuerpo superior a 360 ⁵ . Más concretamente el giro limitado que puede realizar el cuerpo es entre O ⁵ y 365 ⁵ . Este tope basculante al coincidir con el diente antagónico en la primera posición, establece la referencia O ⁵ mediante la subida de intensidad en el motor causada por la detención mecánica.

La fibra óptica está sujeta al brazo mediante un botón, el cual presenta en su parte anterior una microlente de enfoque de la luz entrante en la citada fibra óptica y posteriormente acoplada la funda. El brazo presenta una mordaza que establece un acoplamiento mediante tres puntos de contacto perimetrales con el botón, en tanto que dicho brazo presenta un tornillo de apriete que asegura el paralelismo del botón en el plano focal.

Se ha previsto que el dispositivo comprende una pluralidad de fibras ópticas alojadas en el seno de la funda y enfocadas en la microlente del botón.

Los motores eléctricos son preferentemente de tipo paso a paso, pudiéndose configurarse con una accionamiento de paso completo (full step), medio paso (half step) o micropaso (microstep). Estos motores solo requieren alimentación cuando es necesario el movimiento de la fibra óptica, y en posición estacionaria de posicionado de dicha fibra óptica no es necesario alimentar el motor, con lo que se evita la generación de calor y el desgaste y deformación de los elementos mecánicos del dispositivo.

Los motores comprenden asociados un encoder o codificador de posición que permite su control y monitorización en todo momento. La asociación directa o empotrada de dicho codificador de posición permite una mayor seguridad en el posicionado angular del motor.

Con el fin de conseguir unas mejores condiciones de montaje se ha previsto que la parte giratoria del dispositivo está configurada por dos módulos independientes, comprendiendo el primer módulo el terminal, el segundo motor, el brazo y los medios de precarga del brazo, y el segundo módulo comprende el cuerpo inferior, el primer motor, el piñón de engrane y los medios de precarga. De esta forma se pueden montar y comprobar el correcto funcionamiento de ambas partes antes del montaje completo.

El hueco del cuerpo cilindrico previsto para el paso de la fibra óptica desde la parte posterior del posicionador se extiende según un arco entre la periferia de dicho cuerpo y una posición próxima al centro de giro del cuerpo. Con esto se habilita por el movimiento combinado de los dos giros la fibra óptica se pueda colocar en cualquier posición posible dentro del círculo abarcado por dicho cuerpo, sin que exista riesgo de choque o interferencia entre posicionadores adyacentes. En la posición del brazo con máxima extensión el ángulo abarcado por dicho brazo alcanza hasta 225 grados, de forma que en caso de colisión entre dos brazos de dispositivos adyacentes, exista la suficiente libertad de giro para que se pueda solucionar sin daños.

A su vez, el cuerpo presenta en correspondencia con el final de recorrido interior de hueco un tope del brazo que define un punto de referencia angular de la posición de dicho brazo, correspondiente con el centro del cuerpo o posición central que puede adquirir la fibra óptica.

Descripción de las figuras.

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un dispositivo.

La figura 2 muestra una vista en planta de un soporte del telescopio en la que se encuentran montados varios dispositivos, observándose libre un orificio de alojamiento de un dispositivo, y encontrándose en el soporte representado solo capacidad para siete dispositivos para su simplificación, aunque en la práctica son muchos más.

La figura 3 muestra una sección longitudinal de un dispositivo.

La figura 4 muestra una vista por el extremo anterior de un dispositivo.

La figura 5 muestra un detalle del acoplamiento del piñón del primer motor con la corona dentada de la carcasa. .

Las figuras 6 y 7 muestran las dos posiciones extremas del recorrido del cuerpo en su rotación en el seno de la carcasa.

La figura 8 muestra una vista en perspectiva del botón portador de la microlente en el extremo de la funda de la fibra óptica con múltiples fibras en su interior.

Realización preferente de la invención Como se puede observar en las figuras referenciadas el dispositivo (1 ) posicionador de esta invención comprende unos medios de posicionamiento de la fibra óptica (2) en un plano transversal, estando dicho dispositivo (1 ) dispuesto en un soporte (3) de fijación. En la figura 2 se muestra un caso simplificado en el que el soporte (3) presenta capacidad para siete dispositivos (1 ) en respectivos orificios (31 ), aunque este soporte (3) suele presentar en realizaciones prácticas orificios (31 ) de alojamiento de miles de dispositivos (1 ), dispuestos de forma independiente, distribuidos según una matriz hexagonal mediante tornillos (4).

Cada dispositivo (1 ) comprende una carcasa (5) en la que se encuentra alojado un cuerpo (6) cilindrico giratorio. Comprendiendo dicha carcasa (5) una configuración prismática hexagonal externa a la zona de acoplamiento al soporte (3) y un cuerpo cilindrico posterior (51 ) para el alojamiento de un primer motor (62). La carcasa (5) esta unida al soporte (3) mediante los tornillos (4) dispuestos en tres rebajes longitudinales (55) de los dispositivos (1 ) y atornillados sobre el soporte (3). En el contorno prismático hexagonal de la carcasa se encuentra un chavetero (56) acoplable en un alojamiento (32) que define la orientación única del dispositivo (1 ) en el orificio (31 ) del soporte (3).

El cuerpo (6) cilindrico comprende una pareja de motores (61 y 62) eléctricos para su movimiento, estando dichos motores (61 y 62) eléctricos aproximadamente alineados a lo largo del cuerpo (6) . El primer motor (62) eléctrico, dispuesto posterior en el cuerpo (6), provoca el movimiento de dicho cuerpo (6) cilindrico respecto a la carcasa (5) y el segundo motor (61 ) eléctrico, dispuesto anterior, está asociado a un brazo (7) para el movimiento de la fibra óptica (2) a través de un hueco (63) de dicho cuerpo (6).

La fibra óptica (2) es posicionada en cualquier punto del plano transversal al cuerpo (6) del dispositivo (1 ) mediante dos giros. En un primer giro promovido por el primer motor (62) eléctrico respecto a la carcasa (5) se dispone el giro del cuerpo (6) en un ángulo de 365 ⁵ sexagesimales. En un segundo giro, el brazo (7) portador de la fibra óptica (2) está acoplado directamente sobre el eje del segundo motor (61 ), en un punto excéntrico respecto al centro de giro del cuerpo (6), definiéndose para dicho brazo (7) un ángulo abarcado de 225 ⁵ sexagesimales, cubriendo el extremo libre de dicho brazo (7) cualquier posición radial entre el perímetro del cuerpo (6) o exterior y el centro del mismo para posicionar la fibra óptica (2).

La carcasa (5) exterior del dispositivo (1 ) comprende una corona dentada (53) interiormente en la que está engranado un piñón (64) de movimiento. Este piñón (64) de movimiento se encuentra asociado directamente al extremo del eje del primer motor (62), encontrándose dicho piñón (64) precargado mediante una brida (64a) montada sobre el eje del primer motor (62) y configurada para bascular respecto a un eje de basculación paralelo al eje del primer motor (62).

El dispositivo incorpora un muelle (64b) configurado para hacer bascular la citada brida la (64a) respecto del citado eje de basculación manteniendo el piñón 64 presionado contra la corona dentada (53)

Para limitar el desplazamiento o primer giro del cuerpo (6) respecto a la carcasa (5) en el ángulo de 365 grados sexagesimales se ha previsto que el cuerpo (6) presente en un costado un tope (65) basculante de desplazamiento sobre un pivote, y forzado mediante un muelle, en tanto que en la cara interior de la carcasa (5) se encuentra un diente antagónico (54) saliente de interferencia del tope (65) por ambos lados, así representado en las figuras 6 y 7, siendo detectado dicho contacto mediante el incremento de intensidad eléctrica en el primer motor (61 ) al intentar avanzar en posición bloqueada por dicho tope (65).

El segundo motor (61 ) está dispuesto en la parte superior del cuerpo (6), con su eje (66) emergente de un terminal (67) extremo por la parte frontal del cuerpo (6) cilindrico para el acoplamiento directo del brazo (7) a dicho eje (66), estando este segundo motor (61 ) embridado al terminal. Este cuerpo (6) cilindrico y el terminal (67), presentan el hueco (63) de paso de la fibra óptica (2) conformado de forma arcoidal desde la periferia a una posición próxima al centro de giro del cuerpo (6). Dicho hueco (63) define una pista sobre la que es desplazable el extremo del brazo (7), El eje (66) del motor está precargado mediante dos cojinetes angulares (68) enfrentados y precargados mediante muelles (69). La fibra óptica (2) está sujeta a un botón (8), el cual presenta en su parte anterior una microlente (81 ) y en su parte posterior está acoplada una funda (21 ). Esta funda (21 ) aloja una o más fibras ópticas (2) propiamente dichas, tal como se representa en la figura 8.

El brazo (7) presenta en su extremo una mordaza (71 ) del botón (8) mediante tres puntos de contacto, de forma firme y sin holguras y asegurada mediante un tornillo (72) transversal, manteniendo el paralelismo del citado botón (8) con el plano focal del soporte (3).

El terminal (67) presenta en su parte superior un tope (60) de fin de carrera cuando la fibra óptica (2) está posicionada en el centro de giro del cuerpo (6). Tal como se ha mencionado, ambos motores (61 y 62) están montados aproximadamente alineados longitudinalmente en el cuerpo (6) giratorio. Dichos motores (61 y 62) eléctricos son de tipo paso a paso, con configuración de paso completo, medio paso o micropaso para diferentes resoluciones de posicionamiento. Cada motor (61 y 62) está asociado con un encoder o codificador de posición (61 a y

62a) respectivo que permite el constante control de la posición de la fibra óptica (2).

Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación.