CN105301762A - 一种低厚度含二级放大的二维快速偏转装置及其偏转方法 - Google Patents
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Abstract
一种低厚度含二级放大的二维快速偏转装置及偏转方法，该装置包括在XOZ面内，X轴的第一驱动机构和第三驱动机构；在YOZ面内，Y轴的第二驱动机构和第四驱动机构；每个驱动机构由基于压电堆的桥式位移放大机构和基于杠杆原理的L形杠杆式位移放大机构组成；当XOZ或YOZ面内的两个驱动机构的压电堆在差分驱动信号的作用下，基于逆压电效应产生位移，通过桥式位移放大机构进行面内的第一级位移放大以及L形杠杆式位移放大机构的第二级位移放大，L形杠杆式位移放大机构的末端即长边端会产生一个较大的位移；从而通过柔性铰链带动镜片支撑块偏转，实现二维角度的输出；本发明具有体积小尤其是厚度低、重量轻，功耗低、发热少、精度高等特点。
Description
技术领域
本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种低厚度含二级放大的二维快速偏转反射装置及其偏转方法。
背景技术
随着微电子技术、生物工程、航天工程等学科的迅速发展，二维快速偏转反射镜在军用目标扫描探测、跟踪、瞄准以及天文望远镜、图像稳定，以及航天器精确指向以及激光通信得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。压电作动器具有尺寸小、重量轻、功耗低、输出力大、发热小的特点。柔性铰链的具有结构紧凑，无机械摩擦，传动精度高等特点。但是压电堆直接驱动的系统往往输出位移小，从而基于压电堆直接驱动的偏转镜往往偏转范围小，难以满足要求大扫描范围的要求，且高度较高限制其在对高度有要求的场合。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种低厚度含二级放大的二维快速偏转装置及其偏转方法，该装置具有尺寸小、低功耗、高精度、低厚度的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低厚度含二级放大的二维快速偏转装置，包括位于X偏转轴并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构A和第三驱动机构C，位于Y偏转轴并关于X偏转轴对称的第二驱动机构B和第四驱动机构D，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构A包括桥式位移放大机构2及压电堆3和L形杠杆式位移放大机构5，所述桥式位移放大机构2水平放置在底座1上，短轴沿X方向布置，长轴沿Y方向布置，压电堆3布置在桥式位移放大机构2长轴方向，桥式位移放大机构2短轴一边与底座1上的凸台连接，另一边通过柔性铰链与L形杠杆式位移放大机构5的短边相连；L形杠杆式位移放大机构5整体位于垂直于桥式位移放大机构2所在平面的XOZ平面内，短边位于Z轴方向，长边位于X轴方向；L形杠杆式位移放大机构5在直角顶点处通过一柔性铰链与固定在底座1上的立柱4相连接，L形杠杆式位移放大机构5长边通过柔性铰链与底座1凸台上的镜面支撑体相连接；所述第二驱动机构B、第三驱动机构C和第四驱动机构D的结构及尺寸与第一驱动机构A相同，分别通过L形杠杆式位移放大机构长边与镜面支撑体采用柔性铰链相连接，形成一个“十”字结构，在位于“十”字交叉点处的镜面支撑体上安装不同尺寸的反射镜10。
上述所述的低厚度含二级放大的二维快速偏转装置的偏转方法，对于第一驱动机构A，当压电堆3在逆压电效应作用下沿着轴向伸长时，桥式位移放大机构2的短轴方向产生位移，因此，桥式位移放大机构2驱动L形杠杆式位移放大机构5绕着立柱4上的柔性铰链偏转一个角度，基于杠杆原理，L形杠杆式位移放大机构5的另一端即长边会在Z方向上产生一个更大的位移；由于四个驱动机构结构尺寸均相同，因此，当每一轴下的两个驱动机构在差分信号的驱动下使相对的L形杠杆式位移放大机构运动方向相反时，镜面支撑体及其上安装的反射镜10在柔性铰链的连接带动下产生偏转；若在L形杠杆式位移放大机构的短边端产生水平位移δ1，经过杠杆位移放大后在L形杠杆式位移放大机构的长边端产生竖直方向位移δ2，且δ2＝b·δ1/a。偏转角近似计算为：θ≈arctan(2·δ2/l)。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)、结构紧凑，尺寸小，尤其是高度低，适合对高度有要求尤其是低高度的场合。
2)、位移驱动机构实现压电堆直接位移的二级放大，反射镜偏转范围大。
3)、装置整体刚度高，谐振频率高，作动带宽高，响应速度快。
4)、双轴正交，独立驱动，连接部分无摩擦可实现角度精确控制。
附图说明
图1为本发明装置正等测视图。
图2为本发明装置侧视图。
图3为L形位移放大结构及其后续结构变形前后图。
图4为X轴或Y轴偏转简图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明一种低厚度含二级放大的二维快速偏转装置，包括位于X偏转轴并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构A和第三驱动机构C，位于Y偏转轴并关于X偏转轴对称的第二驱动机构B和第四驱动机构D，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构A包括桥式位移放大机构2及压电堆3和L形杠杆式位移放大机构5，所述桥式位移放大机构2水平放置，短轴沿X方向布置，长轴沿Y方向布置，压电堆3布置在桥式位移放大机构2长轴方向，桥式位移放大机构2短轴一边与底座1上的凸台连接，另一边通过柔性铰链与L形杠杆式位移放大机构5的短边相连；L形杠杆式位移放大机构5整体位于垂直于桥式位移放大机构2所在平面的XOZ平面内，短边位于Z轴方向，长边位于X轴方向；L形杠杆式位移放大机构5在直角顶点处通过一柔性铰链与固定在底座1上的立柱4相连接，L形杠杆式位移放大机构5长边通过柔性铰链与镜面支撑体相连接；所述第二驱动机构B、第三驱动机构C和第四驱动机构D的结构及尺寸与第一驱动机构A相同，分别通过L形杠杆式位移放大机构长边与镜面支撑体采用柔性铰链相连接，形成一个“十”字结构，在位于“十”字交叉点处的镜面支撑体上安装不同尺寸的反射镜10。
如图1所示，第二驱动机构B包括第二桥式位移放大机构6及第二压电堆7和第二L形杠杆式位移放大机构8，所述第二桥式位移放大机构6水平放置在底座1上，短轴沿X方向布置，长轴沿Y方向布置，第二压电堆7布置在第二桥式位移放大机构6长轴方向，第二桥式位移放大机构6短轴一边与底座1上的凸台连接，另一边通过柔性铰链与第二L形杠杆式位移放大机构8的短边相连，第二L形杠杆式位移放大机构8整体位于垂直于第二桥式位移放大机构6所在平面的YOZ平面内，短边位于Z轴方向，长边位于X轴方向；第二L形杠杆式位移放大机构8在直角顶点处通过一柔性铰链与固定在底座1上的第二立柱9相连接。
如图1所示，第三驱动机构C包括第三桥式位移放大机构14及第三压电堆13和第三L形杠杆式位移放大机构11，所述第三桥式位移放大机构14水平放置，短轴沿X方向布置，长轴沿Y方向布置，第三压电堆13布置在第三桥式位移放大机构14长轴方向，第三桥式位移放大机构14短轴一边与底座1上的凸台连接，另一边通过柔性铰链与第三L形杠杆式位移放大机构11的短边相连，第三L形杠杆式位移放大机构11整体位于垂直于第三桥式位移放大机构14所在平面的XOZ平面内，短边位于Z轴方向，长边位于X轴方向；第三L形杠杆式位移放大机构11在直角顶点处通过一柔性铰链与固定在底座1上的第三立柱12相连接。
如图1所示，第四驱动机构D包括第四桥式位移放大机构18及第四压电堆17和第四L形杠杆式位移放大机构15，所述第四桥式位移放大机构18水平放置，短轴沿X方向布置，长轴沿Y方向布置，第四压电堆17布置在第四桥式位移放大机构18长轴方向，第四桥式位移放大机构18短轴一边与底座1上的凸台连接，另一边通过柔性铰链与第四L形杠杆式位移放大机构15的短边相连，第四L形杠杆式位移放大机构15整体位于垂直于第四桥式位移放大机构18所在平面的YOZ平面内，短边位于Z轴方向，长边位于X轴方向；第四L形杠杆式位移放大机构18在直角顶点处通过一柔性铰链与固定在底座1上的第四立柱16相连接。
本发明低厚度含二级放大的二维快速偏转装置的偏转方法，如图1所示，对于第一驱动机构A，当压电堆3在逆压电效应作用下沿着轴向伸长时，桥式位移放大机构2的短轴方向产生位移，因此，桥式位移放大机构2驱动L形杠杆式位移放大机构5绕着立柱4上的柔性铰链偏转一个角度，基于杠杆原理，L形杠杆式位移放大机构5的另一端即长边会在Z方向上产生一个更大的位移；由于四个驱动机构结构尺寸均相同，因此，当每一轴下的两个驱动机构在差分信号的驱动下使相对的L形杠杆式位移放大机构运动方向相反时，镜面支撑体及其上安装的反射镜10在柔性铰链的连接带动下产生偏转；L形位移放大机构及其后续部分变形前后如图3所示。若经过桥式位移放大器放大后的压电作动器驱动L形位移放大机构偏转，如图4所示，若L形杠杆式位移放大机构的短边端产生水平位移δ1，经过杠杆位移放大后在L形杠杆式位移放大机构的长边端产生竖直方向位移δ2，且δ2＝b·δ1/a。偏转角近似计算为：θ≈arctan(2·δ2/l)。
下面对本发明作进一步说明：
当XOZ面内的两个位移驱动机构所包含的压电堆通电，利用逆压电效应产生位移，通过桥式位移放大机构进行面内的第一级位移放大以及L形杠杆式位移放大机构的第二级位移放大，L形杠杆式位移放大机构的末端即长边端会产生一个较大的位移。若面内一组L形杠杆式位移放大机构偏转方向相反，在镜面支撑体则会实现绕Y轴的角位移输出。L形结构在第一级位移驱动作用前后示意图如图3所示。同理，YOZ面内也会产生绕X轴的角位移输出。
本发明X轴和Y轴从结构设计上实现了解耦，当X轴下的第一位移驱动机构A和第三驱动机构C在差分形式的驱动信号作用下，第一(第三)驱动机构的L形位移放大机构长边端向上(下)偏转，第三(第一)驱动机构的L形位移放大机构长边端向下(上)偏转，实现输出端绕Y轴的偏转。同理，输出端可以独立实现绕X轴的偏转。因此，反射镜在输出端带动下可以实现双轴独立的大范围、高精度二维偏转。
Claims (2)
1.一种低厚度含二级放大的二维快速偏转装置，包括位于X偏转轴并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构(A)和第三驱动机构(C)，位于Y偏转轴并关于X偏转轴对称的第二驱动机构(B)和第四驱动机构(D)，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；其特征在于：所述第一驱动机构(A)包括桥式位移放大机构(2)及压电堆(3)和L形杠杆式位移放大机构(5)，所述桥式位移放大机构(2)水平放置在底座(1)上，短轴沿X方向布置，长轴沿Y方向布置，压电堆(3)布置在桥式位移放大机构(2)长轴方向，桥式位移放大机构(2)短轴一边与底座(1)上的凸台连接，另一边通过柔性铰链与L形杠杆式位移放大机构(5)的短边相连；L形杠杆式位移放大机构(5)整体位于垂直于桥式位移放大机构(2)所在平面的XOZ平面内，短边位于Z轴方向，长边位于X轴方向；L形杠杆式位移放大机构(5)在直角顶点处通过一柔性铰链与固定在底座(1)上的立柱(4)相连接，L形杠杆式位移放大机构(5)长边通过柔性铰链与底座(1)凸台上的镜面支撑体相连接；所述第二驱动机构(B)、第三驱动机构(C)和第四驱动机构(D)的结构及尺寸与第一驱动机构(A)相同，分别通过L形杠杆式位移放大机构长边与镜面支撑体采用柔性铰链相连接，形成一个“十”字结构，在位于“十”字交叉点处的镜面支撑体上安装不同尺寸的反射镜(10)。
2.权利要求1所述的低厚度含二级放大的二维快速偏转装置的偏转方法，其特征在于：对于第一驱动机构(A)，当压电堆(3)在逆压电效应作用下沿着轴向伸长时，桥式位移放大机构(2)的短轴方向产生位移，因此，桥式位移放大机构(2)驱动L形杠杆式位移放大机构(5)绕着立柱(4)上的柔性铰链偏转一个角度，基于杠杆原理，L形杠杆式位移放大机构(5)的另一端即长边会在Z方向上产生一个更大的位移；由于四个驱动机构结构尺寸均相同，因此，当每一轴下的两个驱动机构在差分信号的驱动下使相对的L形杠杆式位移放大机构运动方向相反时，镜面支撑体及其上安装的反射镜(10)在柔性铰链的连接带动下产生偏转；若在L形杠杆式位移放大机构的短边端产生水平位移δ1，经过杠杆位移放大后在L形杠杆式位移放大机构的长边端产生竖直方向位移δ2，且δ2＝b·δ1/a。偏转角近似计算为：θ≈arctan(2·δ2/l)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |