用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器

摘要

本发明涉及振动主动控制技术领域，提供一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器，用于解决现有技术中常用作动器进行光学系统控制时存在的光束指向主动控制功耗高、结构复杂的技术问题。所述压电陶瓷微驱动器包括前盖、用于控制光学镜面在其俯仰偏航方向所处位置的压电堆以及用于容纳压电堆的套筒。前盖的一端抵接于光学镜面上，另一端与压电堆的一端相连接并容纳于套筒内；压电堆的另一端预紧的容纳于套筒内。本发明提供的了一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器，该微驱动器使用方便、易于调整，可直接操控光学元件实现光束指向主动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及振动主动控制技术领域，具体的涉及一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器。

背景技术

随着光学技术的不断进步，光学系统的应用领域得到不断拓展，光学系统的精度要求也在不断提高。但是，光学系统的应用环境却也越来越复杂，环境振动等干扰对光学系统的成像情况影响越来越大。环境振动引起的光束指向不稳定的问题普遍存在于各类光学系统中，并对其性能造成了重大影响。

然而，现有多通过作动器来实现对光学系统在振动环境下较好的成像，作动器的作用是按照确定的控制规律对控制对象施加控制力。近年来，在传统的流体作动、气体作动器和电器作动器的基础上，研究开发出了多种智能型作动器，如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器等。但现有的这些作动器普遍存在功耗高、结构复杂的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器，该发明解决了现有技术中常用作动器进行光学系统控制时存在的光束指向主动控制功耗高、结构复杂的困难的技术问题。

本发明提供一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器，包括前盖、用于控制光学镜面在其俯仰偏航方向所处位置的压电堆和用于容纳压电堆的套筒，前盖的一端抵接于光学镜面上，另一端与压电堆的一端相连接并容纳于套筒内；压电堆的另一端预紧地容纳于套筒内。

进一步地，前盖的一端设有圆头端，圆头端抵接于光学镜面上。

进一步地，前盖的另一端上设有用于使压电堆插入的倒槽，倒槽设置于前盖的另一端内，倒槽内设有倒角。

进一步地，还包括直线轴承和内套，前盖和压电堆通过直线轴承润滑连接；内套套设于直线轴承上，并容纳固定连接于套筒内。

进一步地，还包括用于抵住压电堆的后盖，后盖的一段插设于压电堆中，另一端滑动设置于套筒内。

进一步地，后盖包括相连接的上部圆柱体和下部圆柱体，上部圆柱体插入压电堆中，下部圆柱体滑动设置于套筒内。

进一步地，还包括用于固定压电堆位置的顶丝，顶丝的一端通过螺纹与套筒相连接，另一端伸出套筒外。

进一步地，套筒内分段依序设有第一固定槽、第二滑动槽和第三抵顶槽，内套容纳卡接于第一固定槽内；后盖滑动容纳于第二滑动槽内；顶丝螺纹连接于第三抵顶槽内。

本发明的另一方面还提供了一种光学镜面微调装置，包括光学镜面装置、至少2个如上述的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器、微驱动器支架和镜座体，用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器的一端安装于微驱动器支架内，另一端抵接于光学镜面装置的光学镜面上用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器成对设置，分别抵接于光学镜面下部的两相对侧上。

进一步地，光学镜面装置包括镜座、安装于镜座上的镜座板、安装于镜座板上的镜片和正对镜座间隔安装的镜座体，镜座体的外侧下部间隔安装有用于安装微驱动器的微驱动器支架。

本发明的技术效果：

本发明提供的了一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器，该微驱动器使用方便、易于调整，可直接操控光学元件实现光束指向主动控制。

本发明提供的光学镜面微调装置尺寸较小，配合已有控制方法即可实现对镜片的准确控制，尺寸小于现有的作动器，能更好的适应星上需要。

具体请参考根据本发明的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明提供的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器优选实施例的爆炸分解示意图；

图2是本发明提供的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器优选实施例的组装示意图；

图3是本发明优选实施例的前盖的主视局部剖视示意图；

图4是本发明优选实施例的套筒局部剖视示意图；

图5是本发明提供的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器优选实施例安装状态示意图；

图6是本发明提供的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器优选实施例用于调整Z轴或/和X轴向角度安装状态局部放大示意图；

图7是本发明优选实施例在10Hz激励情况下控制效果曲线图示意图；

图8是图7中总位移局部放大示意图

图9是本发明优选实施例在50Hz激励情况下控制效果曲线示意图；

图10是图9中总位移局部放大示意图；

图11是本发明优选实施例在150Hz激励情况下控制效果曲线示意图；

图12是图11中总位移局部放大示意图；

图13是本发明优选实施例在随机激励情况下控制效果曲线示意图；

图14是图13中总位移局部放大示意图；

图15是本发明优选实施例中验证试验中所用光学调整架的振动控制实验光路示意图。

图例说明：

100、光学镜面装置；110、镜座；120、镜座板；130、镜片；140、镜座体；150、微驱动器支架；210、前盖；211、圆头端；212、倒槽；220、直线轴承；230、内套；240、压电堆；250、后盖；260、套筒；261、第一固定槽；262、第二滑动槽；263、第三抵顶槽；270、顶丝。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1～2，本发明提供了一种用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器，包括前盖210、用于控制光学镜面在其俯仰偏航方向所处位置的压电堆240和用于容纳压电堆240的套筒260，前盖210的一端抵接于光学镜面上，另一端与压电堆240的一端相连接并容纳于套筒260内；压电堆240的另一端预紧的容纳于套筒260内。该微驱动器利用压电堆240所具有的受电压驱动而伸缩的能力，使得光学镜面可在其俯仰偏航方向上发生转动，进而实现对光学镜面的调整。替代了现有的作动器，尺寸较小，采用现有的控制方法即可实现对光学镜面的控制。此处所用的控制方法可以但不限于如模糊控制方法，PID控制方法等。能实现这些控制算法的部件，可设置于与待控制部件电连接器件上即可。含有各控制算法的部件可以相互替换。

进一步地，包括前盖210、直线轴承220、内套230、用于对光学镜面进行控制的压电堆240、用于抵住压电堆240的后盖250、用于容纳压电堆240的套筒260和用于固定压电堆240位置的顶丝270。前盖210通过直线轴承220与压电堆240相连接。内套230套设于直线轴承220外，并与套筒260固定连接。从而使得前盖210的前端伸出套筒260外，与前盖210相连接的压电堆240、内套230和直线轴承220均容纳于套筒260内。后盖250容纳于套筒260内，其一端抵接于压电堆240的底面。顶丝270的一端伸入套筒260内，并抵接于后盖250的另一面上，顶丝270的另一端伸出套筒260外。顶丝270可用于调节整个用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器的预紧程度。

优选的，参见图3，前盖210包括圆头端211和倒角端，圆头端211上设置半球头，能有效避免光学镜面对前盖210顶端施加剪切力。倒角端内设置倒槽212。倒槽212内可插入压电堆240。更优选的，圆头端211为半径为4mm的半球头。采用该尺寸的圆头端211，能有效降低前盖210与镜面接触时产生过大的摩擦力，进而对镜面造成磨损。同时还能实现对精确控制，避免控制过程中，过度运动的发生。

优选的，该倒槽212为深8mm直径5mm的倒槽212，端口处设有倒角，提高与压电堆240的连接紧密度。

更优选的，前盖210为圆柱体结构，长37mm，直径8mm，采用不锈钢材料加工而成。此时刚度能满足要求。

所用直线轴承220可以为常见直线轴承220，优选为外径15mm，内径8mm，长17mm，采用该尺寸的直线轴承220，能有效实现压电堆240伸缩时，使之与前盖210在润滑的情况下推动前盖210导向运动。

内套230为一筒状结构，更优选的，为长17mm，外径22mm内径15mm的筒体结构。用于将直线轴承220固定于套筒260内壁上。从而有助于直线轴承220的润滑导向作用的实现。更有选的，采用不锈钢材料加工而成。

压电堆240可以为市售产品。例如可以为普爱纳米位移技术(上海)有限公司(PI)产品P-843.60。压电堆240能在驱动电压作用下，结合常用算法控制实现预定长度的伸长或缩短，从而实现对待调整光学镜面的精确控制。

优选的，后盖250包括叠置的2个共轴圆柱体。这两个圆柱体的为直径从上之下增大。采用该结构，能有效的实现对压电堆240的压紧作用。更优选的，后盖250下部圆柱体长15mm，直径16mm。上部圆柱体长6mm，直径8mm。下部圆柱体靠近上部圆柱体处设有长1.5mm深1mm的倒槽212，上部圆柱体与压电堆240螺纹固定。采用该机构的后盖250，能在保持所需刚度的情况下，使得微驱动器整体尺寸最小。

优选的，参见图4，套筒260内分段依次设有第一固定槽261、第二滑动槽262和第三抵顶槽263，第一固定槽261用于安装内套230，为了实现对内套230的固定，第一固定槽261的直径贴近于内套230。第二滑动槽262用于容纳压电堆240和后盖250，随着压电堆240的伸缩，后盖250可在第二滑动槽262内滑动。第三抵顶槽263用于容纳顶丝270。优选的，下部圆柱体可在套筒260内的第二容纳槽内滑动。由于第二容纳槽的直径与第三抵顶槽263不同，因而可以限制后盖250的运动。优选的，为了缩小整体尺寸，套筒260内壁上开设电线安装槽，以设置对压电堆240通电的电线。具体可以设置驱动电压信号线等电线。

优选的，顶丝270的一端伸入第三抵顶槽263内，与之螺纹连接，顶丝270可顶于后盖250上。顶丝270的另一端伸出套筒260外，便于操作实现对顶丝270的调整。用于调节压电堆240预紧程度，实现快速精确校正。

参见图5～6，本发明另一方面还提供了一种光学镜面微调装置，光学镜面装置100、至少2个如上述的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器、微驱动器支架150和镜座体140，用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器的一端安装于微驱动器支架150内，另一端抵接于光学镜面装置100的光学镜面上，2个用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器分别抵接于光学镜面下部的两相对侧上。通过在镜片130的下部的两相对侧分别设置至少两个前述微驱动器，即可实现对镜片130俯仰偏航方向所处位置的控制和调整。

光学镜面装置100可以为各类常用的光学镜面装置100。优选的，光学镜面装置100包括镜座110、安装于镜座110上的镜座板120、安装于镜座板120上的镜片130和正对镜座110间隔安装的镜座体140。镜座体140的一侧设置用于安装用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器的微驱动器支架150。用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器的一端安装于微驱动器支架150内，另一端穿过镜座体140顶于镜座板120上。采用装置可以实现对镜座板120在俯仰方向(如绕X轴旋转)和偏航方向(如绕Z轴旋转)的角度调整。

使用时，将本发明提供的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器安装于镜座体140的后侧，并使其前盖210顶在镜座板120上，通过插入程度的深浅粗调微驱动器对镜座板120的支撑程度，即如图6所示的，粗调镜座板120在俯仰方向(绕Z轴转动)和偏航方向(绕X轴转动)的角度。粗调后拧紧顶丝270以固定本发明提供的微驱动器的初始位置，之后再通过拧动顶丝270后端，实现微调压电堆240的预紧程度。压电堆240所需各类电线设置槽连接到压电堆240上，输入驱动电压，控制压电堆240伸长缩短，实现对镜座板120俯仰方向和偏航方向的姿态调整。

以下通过控制实验证明本发明提供的用于光学镜面振动控制的压电陶瓷微驱动器具有较好的控制精度。对比实验为未使用本发明提供的驱动器情况下，在相同条件相近控制所得的控制结果。

采用幅值相同的10Hz，50Hz，150Hz简谐激励的三个频点上，对安装有本发明提供的微驱动器的光学调整架的基座平台进行激振，激光发射器发出的激光光束经激振镜面反射后，在光学敏感探测器的屏幕上形成激光光斑，本发明提供的微驱动器通过控制镜座板120的俯仰偏航姿态，控制激光光斑在光学敏感探测器屏幕上的偏移量，实现激光光束指向控制。

实验得到对经过被激振镜面反射后的光斑在光学敏感探测器上的偏移量控制效果曲线分别如图7～14所示，在随机激励下的控制效果曲线如图13～14所示，图7至图14的纵坐标为激光光斑在光敏传感器屏幕上的偏移量，单位为mm。

从图7～14可以看出，振动控制后激光光斑的偏移量基本不超过0.05mm。该光学调整架的振动控制实验的光路图如图15所示，其中光学敏感探测器屏幕与激光目标指向方向垂直，屏幕中心距离被激振镜面光学中心L＝10m，由此计算可得光束偏转角θ与激光光斑在光学敏感探测器屏幕上的总偏移量a之间的关系如下式所示：

$tan\theta =\frac{a}{L}$

由上式计算可得，本发明提供的压电陶瓷微驱动器对镜片系统振动环境下的光束指向稳定性控制可以达到微弧度量级(读取纵坐标，然后对反射光线光程进行说明，最终换算成角度，得到微弧度量级)，验证了本发明提供的微驱动器能有效实现控制。对比的是控制前后的位移量，采用本发明提供的压电陶瓷微驱动器进行控制后，被控对象的总位移量骤减至不超过0.05mm，证明本发明提供装置效果明显。

本发明结构简单、控制灵活方便，适用于各种光学元件的振动控制和光束指向主动控制。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。