CN1041492A - 激光束偏转镜用动态装置的剪切电机 - Google Patents

Abstract

一种用于激光偏转镜20的动态安装和致动器，它包括安装在电机固定部件32上并且彼此相隔120°的三个压电电机40。每个电机40包括一个矩形堆体44，是由接有电极的压电片46的水平层构成的，而相邻的水平层则粘结在一起。每个剪切电机40所产生的沿轴线运动被放大后传递给轴向伸展的活络连接组件36，该组件36由两个万向型活络连接102和104构成。

Description

本发明所涉及的是激光束偏转镜用的高性能的惯性动态装置，而且尤其涉及操纵由这种动态装置支撑着的偏转镜用的电机。

高能激光系统（HEL）一般采用一块受到冷却的可调反射镜来使激光束偏转。这样的反射镜又大又重，而且对激光束的控制要求是在激烈振动的环境中能使激光束准确地定向、聚焦和稳定。尽管人们已经作出极大的努力，但直到目前为止仍然没有找到一种能够令人满意地完成上述控制功能的反射镜安装驱动装置。

由声、热和动作负载对偏转镜和偏转镜的动态装置及其动态致动器产生的干扰，要求致动器（或者电机）能够提供毫弧度级的行程，并且能够工作在由直流到数千赫的带宽范围内。行程的精度是微毫弧度数量级。由于偏转镜表面上激光束的强度很高、偏转镜表面在高动态负荷下所允许的扭曲变形不大，从而就增加了偏转镜的尺寸和重量（超过30磅）。

将高能激光系统安装在飞机或者卫星上时，必须十分重视驱动部件的重量。偏转镜动态装置中致动器大量的热耗散，势必引起偏转镜的热变形并使控制热的问题变得复杂化。此外，还希望尽可能地减小由于动态装置较大的惯性力而引起的对支撑光学系统的结构的干扰。

一段时间以来，由压电陶瓷片堆构成的致动器已经被用来控制激光偏转镜表面的取向，或者用作小偏转镜和偏转镜阵列的动态驱动器。这些致动器所利用的是在其厚度方向（d₃₃方向）或长度方向（d₃₁方向）施加的电场产生的应变。这种类型的致动器，即使工作在高电压下（例如30～50伏/0.001英吋片厚）也只能够产生每英吋长度200～300微英吋的运动。

在一个操纵系统中，偏转镜的动态致动器是由一个“闭环”电子伺服系统来驱动的。根据所用系统的具体情况，可采用不同的光学传感器布局来获得误差信号。然而在所有各种情况下的实际伺服驱动的稳定性，均要求致动器驱动机构自身的谐振频率高于系统的工作频率。若以数千赫的频率对重型热交换式偏转镜（冷却式偏转镜）进行控制，就需要致动器具有每英吋偏转数千万磅的弹性率。

对于驱动放大器来说，压电陶瓷致动器基本上是作为纯电容性负载出现的。因此，几手所有的驱动功率都耗散在放大器的输出级上。这一点对致动器的热量控制有好处，但却对放大器的设计增加了沉重的负担。在给定工作频率的情况下，驱动器耗散的能量或者称作“无功功率”，为该驱动器输出电压平方的函数。无功功率还和频率成正比。举例来说，当频率为300赫时，如果致动器需要100伏的电压来达到所需要的位移，其所对应的无功功率为200瓦;而如果所需要的电压为1000伏，那么无功功率就会增大到20000瓦。因此，对于压电陶瓷致动电机来说，最好能够采用较低的工作电压。

如上所述，由于通常的压电陶瓷致动器需要很长的长度才能实现所需要的偏转，因此其结构尺寸必然导致非常低的谐振特性。对功率的实际考虑，排除了在高电压下实现高频率工作的可能性。本发明中采用的独特的压电陶瓷剪切电机，其所提供的每伏电压位移量是普通PZT致动器所能提供的六倍。其块状结构尺寸特别适合于较高的自身谐振频率设计。而且所采用的结构本来也是惯性的。

本发明提供了一种用于诸如激光偏转镜的动态装置和致动装置。该致动器为新型的压电陶瓷剪切电机，三个这样的电机安装在相对于中心轴彼此分开为120°的支承件上。有一个悬置组件固定在支承件上并位于每个电机的前方，它包括一个圆环形支座环绕在悬置环的周围，但沿轴向方向与该悬置环相距一段距离。此悬置组件是装在悬置板上的，而悬置板则通过支持部件来支持偏转反射镜。该支持部件由两部分组成，其前部通过一个连接销与悬置板相连接，而后部则固定在悬置的圆环形支座上，并通过一个销钉与前部连接在一起，在上述前部与后部之间沿轴向方向留有间距。

每一个剪切电机所产生的轴向运动，通过一个杠杆臂或者说是一个垂直支柱传递给沿轴向延伸的新型刚性联动装置或者说是活络连接组件。该刚性联动装置再经过悬置板的支持部件将上述运动传递给偏转反射镀。

上述新型联动装置包括一对活络连接，允许此联动装置能在非轴向方向上有少量的挠性。进一步说来在悬置板（更确切地说应该是悬置环）和圆环形支座之间在非轴向方向上的挠性，是由安装在圆环形支座和悬置环之间空间中的挠性组件提供的，此挠性组件延伸在上述支持部件的前部和后部之间的空间中。

这种安装方式使得偏转镜在剪切电机的高速驱动下能作轴向、翻转和倾斜运动。

图1为本发明提供的动态偏转镜致动装置的前视图;

图2为图1所示装置的侧视图

图3为图1中沿A-A线所取剪切电机的剖视图;

图4A，4B和4C为剪切电机的三个相邻的压电元件的立体图。图4A和4B表示两个相邻的垂直元件，图4A和4C表示两个相邻的水平元件;

图5A和5B为致动器加载板的侧视图和顶视图;

图5C为垂直支柱、枢轴部件和致动器加载板的立体图;

图6为几个剪切元件的侧视图，用来表示电极的排列以及剪切元件上电接头与电极的位置关系;

图7表示三层剪切元件在所施加电压的作用下如何运动的示意图;

图8为联动装置或者说活络连接组件侧视的局部剖面图;

图9为上述活络连接组件的主体展示图;

图10为挠性组件的侧视图;

图11为挠性垫片的前视图;

图12为隔片的前视图。

在所有的附图中，相同的元件或部件由相同的附图标号表示，重复的元件则标以最开始采用过的标号。

附图1表示本发明所提供的动态偏转镜致动装置的前视图，附图2为其侧视图。

激光偏转反射镜20是借助三个销钉30安装在偏转镜支持板22上的，该销钉以彼此相隔120°的间隔嵌入偏转镜20靠近外边缘的部位。销钉30由水平支持部件34中伸出，其设计须使它们不致让偏转镜20产生变形。三个剪切电机40以彼此相隔120°的间隔围绕着一个电机固定部件32安装，在固定部件32的前面装有一块悬置板24。该悬置板带有三个彼此相隔120°的悬置组件27，每一个悬置组件环绕一个支持部件34，该支持部件34固定在连接销钉30的一端和水平的力传递联动装置或者活络连接组件36的一端。活络连接组件36的另一端与支柱38的下端相配合，支柱38是垂直支撑组件42的一部分。由剪切电机40所产生的轴向力（参见活络连接组件36的纵向轴），通过垂直支撑组件42的类似于杠杆的作用传递给与之相配合的活络连接组件36，进而通过支持部件34和偏转镜支持板22传递给偏转镜20。

偏转镜支持板22固定在偏转镜20的背后，悬置板24固定在电机固定部件32上。三个悬置组件27和悬置板24形成一个整体并构成它的一部分，它们彼此相隔120°分布在悬置板24的外圆周部分。每一个悬置组件27包括一个外部悬置圆环形支座29（它最好是环形的）和一个挠性组件28（它最好也是环形的）。该挠性组件28装入悬置圆环形支座29的凹坑中。基本上呈圆柱形的支持件34处于悬置组件27的中心和偏转镜支持板22之间，并且通过连接销钉30与偏转镜支持板22相连。支持部件34由两部分组成，它们相互扣在一起但被挠性组件28所隔开。挠性组件28也位于悬置环26和悬置圆环形支座29之间，因此在偏转镜20和悬置板24之间能够产生具有六个自由度的相对运动。这样以来，偏转镜的固定就能够在每个悬置组件中实现轴向偏转、翻转和倾斜运动。

剪切电机40包括一个剪切堆44，它由例如379块压电陶瓷矩形片或压电陶瓷条46组成，其中每块压电陶瓷条的长为3″，宽为5/8″，厚为0.050″。它们被放在一起以形成60层的堆体，其尺寸为3″×4″×3″，其中顶层和底层被绝缘。在制造过程中对每块压电陶瓷条46进行极化处理（方向如箭头78所示），使得当沿垂直于剪切平面的方向施加电压时，穿过压电陶瓷条46施加的电压所产生的剪切应变78，是在宽度的方向上穿过。压电陶瓷条46的顶部有一电极48，它包住压电陶瓷条46的一端（如图4A所示的后端），但是并不延伸到前端;压电陶瓷条46的底部有一电极50，它包住条46的前端，但是并不延伸到其后端。

垂直相邻的压电陶瓷条46如图4A，4B和4C那样进行排列，以使相邻的压电陶瓷条产生的剪切运动是在相同的方向上。水平相邻的压电陶瓷条46如附图4A和4C那样进行排列，以使相邻的压电陶瓷条所产生的剪切运动也是在相同的方向上。对位于同一水平层上的压电陶瓷条46所施加的电压方向是相同的（即箭头79指示的电压施加方向），但是对相邻水平层上的压电陶瓷条46所施加的电压箭头方向就正好相反。从电机40的前方到后方的方向上仅放置一块压电陶瓷元件47（所谓的前方到后方可参见附图2，或者如图6中的深度D所示），但在水平方向上却放置了多块压电陶瓷元件以形成所表示的水平层。通过绝缘粘结材料53和53′使沿垂直方向上的压电陶瓷元件彼此绝缘。

附图7表示若干相邻压电陶瓷层80，81和82的剪切运动。由于这些层是粘结在一起的，所以总的运动量带有累积的特点。

如附图6所示，在电极金属板的两侧分别通过诸如导电树脂的适当导电型粘合剂（图中未表示）粘上一层精纺线网49和49′。为了可靠起见，如需要也可以将上述线网制成双层的。将导电端子51和51′固定在上述每个线网上，以便同诸如闭环电子伺服系统的控制电压源相连。测试数据表明，这种结构所产生的每伏偏移量大约是具有相同长度和相同压电陶瓷条厚度的常规PZT堆的六倍。

剪切堆44被支撑在框架52中，而且被安置在底板54上。底板54上有一凹槽，其中放有枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承56。致动力则通过枢轴部件58传递给垂直支撑组件42，而该枢轴部件58的一个圆形端与上枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承56相配合，另一个圆形端与致动的加载板62的下枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承60相配合。枢轴部件58绕着虚拟的枢轴点64旋转（如从图2中看到的那样）。如附图2所示，上枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承56的圆弧中心63提供了枢轴部件58的另一个虚拟枢轴点。圆弧中心63和枢轴点64之间的距离，为枢轴点64和水平支撑36中心线之间距离的三分之一，因而在水平支撑36上提供了3∶1的机械放大。也就是说由剪切电机40产生的偏移在水平支撑36上放大了三倍，并由水平支撑36将这一放大了的位移加到偏转镜20上。

致动器加载板62的顶视图表示如图5B。由图中可以看出，加载板62上有两个聚酰亚胺树脂系列枢轴轴承60和60′，分别位于垂直支柱38的两侧，以便以可动的方式支撑枢轴部件58的两端。附图5A表示致动器加载板62的侧视图，此图也在附图2中表示出来。附图5C以立体展示图的形式表示垂直支柱38、由椭圆形截面的棒构成的枢轴部件58、以及致动器加载板62，其中的加载板62有两个聚酰亚胺树脂系列枢轴轴承60和60′，与枢轴部件58的两端相接触。枢轴部件58则通过诸如铜焊的方式与垂直支柱38固定在一起。

具有两个下枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承60和60′的致动器加载板62（参见图5A，5B和5C），还为剪切堆44和枢轴轴承提供400磅的压力。试验表明，这一预载荷是减少剪切堆的爬行和迟滞的重要因素。这一予载荷是通过恰当地选取致动器加载板的弹性率和组件的间隙来得到的。

如果一个水平平面是通过枢轴点64的（如附图2所示），那么在剪切电机工作时，该平面之上所有部件的运动方向就和平面之下所 有部件的运动方向相反。假如这些部件的重量没有恰当地予以平衡，就会存在惯性矩，因而有可能需要增加配重。一个这样的配重便是以螺纹连接的方式装配在活络连接组件36后部的重物68。如果需要，其它的配重也可以装在加载板54的底部，例如在点66和66′处。

采用螺纹附件将垂直支柱38的下端和水平支柱或活络连接组件36紧密相连。垂直支柱38的下端39被夹紧在挡环70和螺母71之间，并被固定在该位置上。剪切堆的底板54向左（或者向右）的水平运动，将通过垂直支撑组件42的传递使活络连接组件36向右（或者向左）运动。

如附图8所示，水平支柱组件36包括一个中心轴86和两个外部轴，即前轴88和后轴90。这些轴在其一端与枢轴块92和94相配合，而该枢轴块92和94分别和相应的枢轴轴承（即前接头轴承89、93和后接头轴承89、100）相耦合。每个枢轴块92、94都有两条棱边，它们与相应的枢轴轴承一起形成了所谓的活络连接，即前活络连接102和后活络连接104。每一个活络连接都能够沿两条彼此正交的轴线作具有两个自由度的运动。两个活络连接沿相同的一组轴线运动。

附图9表示前活络连接的立体图，为的是提供对该连接的形状和作用更好地理解。半圆柱形的前（或水平）枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承89，装入前（或水平）枢轴块接收器91的半圆柱形顶部，该接收器91具有三角形的渐缩侧壁并形成前轴88的后端。枢轴块92的前（或水平）棱装入接收器91并与聚酰亚胺树脂系列轴承89相配合。在枢轴块92的后面有一个后（或垂直）枢轴聚酰亚胺树脂系列轴承93，它装入后（或垂直）枢轴块接收器95。该后（或垂直）枢轴块接收器95的方向与水平接收器的方向成90°角，并且构成中心轴86的前端。如果一组正交的轴线X和Y垂直于贯穿活络连接组件中心线96的轴线Z，那么枢轴块92的前棱106就能绕Z轴旋转，而后棱则能绕Y轴旋转，因而形成在X-Y平面内具有两个自由度的运动。

活络连接组件36是由两组隔开的挡环和一条张紧的中心线96组装在一起的，该中心线96可以采用例如1/16吋的钢琴弦。在第一组挡环中，挡环76压紧在前轴88上枢轴块92的前棱与聚酰亚胺树脂系列轴承89交接的部位上;而第二个挡环74则压紧在中心轴86上前枢轴块92与聚酰亚胺树脂系列轴承93相交接的部位上。后一组挡环72和70与后活络连接104及轴86，90之间，也具有相同的位置关系。这些挡环可以保持活络连接组件中各另件的横向对齐。

通过高强度的弹性线96对活络连接组件施加数百磅（例如400磅）的予载力，而此弹性线96可以采用例如钢琴线，使其穿过沿着活络连接组件36整个长度的中心线上拉出来的孔。通过诸如焊接的方法，将该线96固定在螺纹端头另件例如套环114和116上。可以通过拧紧张力螺母118来对该线96施加张力，而螺母118是通过螺纹装在套环116上并顶在后轴90外端的。螺母118和套环116装入凹坑120中，螺母118的前沿则在上述凹坑120内顶住轴90的肩部120。线96以紧贴的方式装在中心轴的中心孔中，但在外端轴88和90的相邻中心孔的一段长度上留有一定的间隙，以便建立所需的弯曲应变。

通过在活络连接102和104处采用低摩擦性能的聚酰亚胺树脂系列轴承，可以将摩擦力减小到最低的程度。

动态活络连接能为水平支柱组件36提供低摩擦性能和小角度的对齐能力，而与此同时又保持了每英吋几百磅数量级的异乎寻常的刚性负载通路。由于该系统需要很高的谐振频率，因此这样非常高的弹性率是必要的。有必要强调指出的是：在高弹性率装置中，输出幅度可以接近于输入幅度。

挠性组件28装在悬置环26和悬置圆环形支座29之间的空间中，同时它又装在支持部件34的前部和垫片35之间，而垫片35则位于该支持部件的前后两部分之间。此挠性部件28使得在悬置环26和被固定的悬置板24之间能够实现具有六个自由度的运动。每个自由度的弹性比可以按需要进行设计。当然偏转镜20会随悬置环26一起运动，因而可以实现翻转、倾斜和轴向运动。

如附图10所示，挠性组件28包括一组三个挠性垫片124，相邻的垫片124之间有隔片126。每个垫片或者悬置元件124（如图11所示）都是一个开有槽的圆片，由0.015英吋的铍铜弹性材料制成。每个垫片124由一个外环128和一个内环130组成。其中内环130是由中心孔132和三个弧形槽134，136，138之间的部分形成的，上述三个槽134沿直径方向的宽度为0.030英吋;而外环则由垫片124的外周边和三个弧形槽140，142，144之间的部分形成。每对弧形槽134和144，136和140，138和142的最为接近的端头分别由一段较短的径向槽146，148和150连接起来。由这些槽形成了被槽包围着的刚性梁152，154和156，例如梁152是由槽140，148，134和146所包围的区域形成的。所有的槽都具有相同的宽度。

在每一对垫片124之间都有两个隔片126，每个隔片又由两个圆环部分构成，即外圆环126′和内圆环126″。在外圆环126′的外围部分有一些均匀分布的孔127′，这些孔都和每个垫片124外环128上的孔相配合。内圆环126″上有一个中心孔132′，它和每个垫片124上的中心孔132相配合。这些中心孔套装在支持部件34中心的肩部。

在该挠性组件中，第一和第三个垫片上的槽相互对齐，而中间垫片的安装位置则与上述两个垫片旋转60°。采用这样由三个垫片和两个隔片构成的组件，是为了增加挠性组件28的刚性，从而也就增加偏转镜动态安装的刚性。根据情况需要，可以采用更多或更少的垫片和隔片。而中间的垫片相对其余两个垫片旋转一定角度，有助于增加该挠性组件28的均匀性。

可以采用一个或多个销钉（图中未表示）穿过垫片和隔片上的对准孔127和127′，从而就使该组件28按适当的方向组装在一起。

很明显，参照上述技术教导可以很容易地对本发明作出许多改进，这些改进均将落入如下的权利要求的保护范围中。

Claims (16)

1、一种用于沿着轴线提供驱动运动的压电剪切电机，它包括：

将许多水平层排列成垂直堆体的多个压电设备，以便根据所施加的电信号沿轴线提供运动；相邻的水平层粘接在一起，以使上层的底表面和下层的顶表面能够产生相同的运动量；每个压电设备的运动都是剪切运动，而且所有上述压电设备的排列，需使由所给电信号引起的单个剪切运动都发生在沿上述轴线的相同方向上；以及

与上述压电设备相连接的机械装置，用于接收上述运动并将该运动传给目标物。

2、如权利要求1所述的剪切电机，其中所述的机械装置包括支持上述多个压电设备用的底板。

3、如权利要求2所述的剪切电机，其中所述的底板上有一个凹坑，而且所述的机械装置进一步还包括杠杆臂装置，其一端与上述凹坑相配合并经由该凹坑驱动;此杠杆臂装置能够绕一点旋转，从而在与底板接触一端相对的另一端形成机械放大作用。

4、如权利要求3所述的剪切电机，其中所述的机械放大约为3∶1。

5、一种能够沿着轴线提供驱动运动的压电剪切电机，它包括：

多个矩形的压电剪切元件，它们在水平层中边靠边地排列在一起，再将各水平层逐次垂直地叠起以形成矩形的剪切堆;相邻的水平层彼此粘接以使上层的下表面和下层的上表面产生相同的运动量，而剪切堆的总运动量是各水平层运动量的和。

每一个剪切元件由一个极化的压电条构成，其所具有的第一个电极与压电条的顶面及一个端面接触，而其第二个电极则与该压电条的底面及另一个端面接触;所有的第一和第二个电极均根据压电条的极性以类似的方式装在压电条上;剪切元件彼此之间是绝缘的，并且按一定的排列方式放在一起，以使所有的第一电极都位于剪切堆的一端，而所有的第二电极都位于剪切堆的另一端，每个压电条的运动都是剪切运动;

第一个电接触装置，它与位于剪切堆一端的所有第一电极相接触;

第二个电接触装置，它与位于剪切堆另一端的所有第二电极相接触;以及

与上述剪切堆配台并由其驱动沿着一条轴线运动的驱动装置。

6、如权利要求5所述的剪切电机，其中所述水平层的宽度与一个剪切元件的长度相等。

7、如权利要求5所述的剪切电机，其中所述的驱动装置是用于支持上述剪切元件堆的底板。

8、如权利要求5所述的剪切电机，其中所述的压电条是由压电陶瓷材料制成的。

9、如权利要求5所述的剪切电机，其中所述第一及第二个电接触装置中的每一个都是由线网构成的。

10、如权利要求5所述的剪切电机，其中所述的驱动装置包括与上述剪切堆固定在一起的底板。

11、如权利要求6所述的剪切电机，它进一步包括杠杆臂装置，其一端以可动的方式与上述底板配台并由其提供运动;上述杠杆臂装置能够绕一点旋转，从而在与底板接触一端相对的另一端产生机械放大作用。

12、如权利要求11所述的剪切电机，其中所述的机械放大约为3∶1。

13、一种能够沿着轴线提供驱动剪切运动的压电剪切电机，它包括：

多个极化的压电条，它们排列成由水平层构成的垂直堆体，以便在所施加的电信号作用下提供沿着水平轴线的运动;

相邻的水平层粘结在一起;以使上层的下表面和下层的上表面能够产生相同的运动量，每个水平层的运动都是一种沿着剪切平面的剪切运动;

压电条的排列方式，应使得当有电信号垂直施加在剪切平面上时，由给定信号产生的所有单个的剪切运动，都能产生穿过每个压电条宽度方向的剪切应变，而且该剪切应变是发生在沿着轴线的相同方向上。

固定在压电电机上的机械装置，以便接收压电电机的运动并将其施加在目标物上。

14、如权利要求13所述的剪切电机，其中所述的机械装置，包括为多个压电条使用的支持框架和底板。

15、如权利要求14所述的剪切电机，其中所述的底板上有一个凹坑，而且该机械装置进一步还包括一个杠杆臂装置，其一端装入凹坑中并由其驱动运动;该杠杆臂装置能够绕一点旋转，从而在与底板接触一端相对的另一端产生机械放大作用。

16、如权利要求15所述的剪切电机，其中所述的机械放大约为3∶1。

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