CN107462963A - 一种压电驱动的可变光阑调光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动的可变光阑调光装置及方法，装置包括可变光阑、压电作动器和基座。压电作动器包括四个悬臂梁、以及八片压电陶瓷；四个悬臂梁均采用金属弹性基体、首尾相连形成正方形环梁结构；四个悬臂梁内壁的中点处均设有和可变光阑动圈的外壁过盈配合的驱动足；八片压电陶瓷分别对应设置在四个悬臂梁中点两侧的外壁上。工作时，对每根梁上的两片压电陶瓷施加相位差为90°的激励信号，在驱动足处产生椭圆运动，驱动动圈转动，进而通过动圈带动光阑片转动，实现通光孔径的扩大或收缩。本发明采用压电驱动，结构扁平紧凑、体积小、重量轻、调节精度高、响应快、可靠性高，有利于提高光学仪器的性能和降低生产成本。

Description

一种压电驱动的可变光阑调光装置及方法

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，具体涉及一种压电驱动的可变光阑调光装置及方法。

背景技术

为了控制光电探测器靶面上接受的光能，保证成像照度合适，光学仪器中必须进行调光。可变光阑调光是常用的调光方法，它是通过可变光阑调光装置实现的。可变光阑调光装置一般由可变光阑和驱动部分组成。可变光阑主要包括光阑片、光阑动圈和光阑定圈。光阑动、定圈的相对转动可带动光阑片的转动，进而改变由光阑片围成的通光孔径的大小。驱动部分根据光的照度要求或者光的功率大小驱动光阑动圈转动，通过连续调节光阑通光孔径达到调光的目的。调光的精度直接影响甚至决定光学设备的精度和成本，而调光的精度主要与可变光阑的调节精度有关。现有的可变光阑调光装置大多是自行设计加工或用标准光阑改制的，驱动部分多采用电磁电机和蜗轮蜗杆传动或齿轮传动，通常结构较为复杂，存在传动精度低、摩擦力大、使用寿命短、加工成本高、周期长和可靠性低等问题。

压电作动器是一种新型作动器，利用压电材料的逆压电效应使弹性体产生超声频段内的振动，通过弹性体和转子之间的摩擦作用，直接输出转子的宏观运动。与传统电磁电机相比，压电作动器具有结构简单紧凑、能直接输出低速大扭矩、响应迅速、不产生磁场、定位精度高和断电自锁等独特优点，已被广泛应用于航空航天、生物医疗和光学精密仪器等领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电驱动的可变光阑调光装置及方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电驱动的可变光阑调光装置，包括可变光阑、限位螺钉、压电作动器、基座和三根固定螺钉，所述可变光阑、压电作动器、基座同轴设置；

所述可变光阑包括动圈、定圈和若干光阑片；

所述动圈和定圈均为底面为圆环状的空心圆柱，且所述定圈同轴设置在动圈内；

所述光阑片均一端设有和其固连的固定销钉，另一端设有能够相对其自由转动的活动销钉；

所述动圈底面上均匀设有若干和所述光阑片固定销钉一一对应的安装孔，所述定圈底面上均匀设有若干和所述光阑片活动销钉一一对应的滑动槽；

所述光阑片一端通过固定销钉和所述动圈上其对应的安装孔铰接，另一端通过活动销钉安装在所述定圈上其对应的滑动槽内；

所述定圈的柱壁上设有定圈固定螺纹通孔；所述动圈的外壁上环向设有限位槽；

所述压电作动器包括第一至第四悬臂梁、以及第一至第八压电陶瓷；

所述第一至第四悬臂梁均采用金属弹性基体、首尾相连形成正方形环梁结构，正方形环梁结构的四个角均作倒角处理，其中一个角上均沿径向设有和所述限位螺钉相匹配的限位螺纹通孔，其余三个角上沿径向均设有和所述固定螺钉相匹配的固定螺纹通孔；

所述第一至第四悬臂梁内壁的中点处均设有驱动足，且第一至第四悬臂梁的驱动足和所述动圈的外壁过盈配合，将所述动圈固定在在正方形环梁结构中；

所述限位螺钉依次穿过所述限位螺纹通孔、限位槽和所述定圈固定螺纹通孔螺纹连接，用于固定所述定圈、并和所述限位槽相配合以限定所述动圈的转动角度；

所述第一至第八压电陶瓷分别对应设置在第一至第四悬臂梁中点两侧的外壁上，且第一至第八压电陶瓷均沿厚度方向极化、极化方向相同；

所述基座呈空心圆柱状，柱壁上设有和正方形环梁结构上的三个固定螺纹通孔一一对应的螺纹通孔，通过所述三根固定螺钉和所述正方形环梁结构固定相连，用于轴向支撑所述可变光阑。

作为本发明一种压电驱动的可变光阑调光装置进一步的优化方案，所述金属弹性基体的材料选用铍青铜。

作为本发明一种压电驱动的可变光阑调光装置进一步的优化方案，所述第一至第八压电陶瓷采用粘贴的方式对应设置在第一至第四悬臂梁中点两侧的外壁上。

本发明还公开了一种基于所述压电驱动的可变光阑调光装置的控制方法，包含以下步骤：

将第一至第八压电陶瓷的极化方向均设置为相对于所粘贴的悬臂梁表面的外法方向；

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷施加正弦信号，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷施加余弦信号，激发出第一至第四悬臂梁的一阶和二阶弯曲模态的复合振动，在第一至第四悬臂梁的驱动足处产生正向椭圆运动，进而通过第一至第四悬臂梁的驱动足和动圈之间摩擦力的作用，推动动圈正向转动，使可变光阑的通光孔径收缩；

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷施加余弦信号，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷施加正弦信号，激发出第一至第四悬臂梁的一阶和二阶弯曲模态的复合振动，在第一至第四悬臂梁的驱动足处产生反向椭圆运动，进而通过第一至第四悬臂梁的驱动足和动圈之间摩擦力的作用，推动动圈反向转动，使可变光阑的通光孔径扩大。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本发明调光方法简单，装置具有结构扁平紧凑、体积小且重量轻的特点，特别适用于对空间和重量均十分宝贵的航天器实现太空照相、空间雷达和空间测量等功能；

2. 压电作动器利用压电陶瓷的逆压电效应，将材料的微观变形通过机械共振放大，通过摩擦耦合传动转换成转子的宏观运动，驱动足和动圈之间采用摩擦传动，能够断电自锁，且具有较大的保持扭矩，因此本发明的调光装置具有较高的可靠性；

此外，压电作动器的定位精度高，有利于提高光学仪器的分辨率。根据压电作动器自有的特性，其响应时间在毫秒级别，所以压电作动器在往复运动时是没有惯性的，光阑调光响应速度快，因此本发明也特别适用于光电跟踪测量系统，在远距离运动目标跟踪过程中不会丢失目标；

3. 本发明调光范围大，可根据不同通光直径的需求设计相应尺寸的压电作动器。本发明是在现有的可变光阑结构的基础上组装完成，可直接采用市售光阑，结构设计灵活，加工周期短，生产成本低，适用范围广；

4. 压电作动器利用的两模态均由梁的弯曲振动产生，一方面，压电陶瓷配置和电激励方法简单，另一方面，利用梁结构振动效率较高的弯曲振动，提高了压电作动器的能量利用效率和输出力矩，保证可变光阑调光装置调节的稳定性。

附图说明

图1是本发明涉及的一种压电驱动的可变光阑调光装置的结构示意图；

图2是本发明中所述压电作动器结构示意图；

图3是本发明中所述压电作动器工作模态示意图，其中，图3(a)是由梁的一阶弯振形成的模态，图3(b)是由梁的二阶弯振形成的模态。

图中，1-可变光阑，11-动圈，12-定圈，2-固定螺钉，3-压电作动器，31-第一悬臂梁，32-第二悬臂梁，33-第一压电陶瓷，34-第二压电陶瓷，35-第三压电陶瓷，36-第四压电陶瓷，37-驱动足，4-基座，5-限位螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种压电驱动的可变光阑调光装置，包括可变光阑、限位螺钉、压电作动器、基座和三根固定螺钉，所述可变光阑、压电作动器、基座同轴设置；

所述可变光阑包括动圈、定圈和若干光阑片；

所述动圈和定圈均为底面为圆环状的空心圆柱，且所述定圈同轴设置在动圈内；

所述光阑片均一端设有和其固连的固定销钉，另一端设有能够相对其自由转动的活动销钉；

所述动圈底面上均匀设有若干和所述光阑片固定销钉一一对应的安装孔，所述定圈底面上均匀设有若干和所述光阑片活动销钉一一对应的滑动槽；

所述光阑片一端通过固定销钉和所述动圈上其对应的安装孔铰接，另一端通过活动销钉安装在所述定圈上其对应的滑动槽内；

所述定圈的柱壁上设有定圈固定螺纹通孔；

所述动圈的外壁上环向设有限位槽。

当动圈和定圈发生相对转动时，就会推动光阑片上的活动销钉，光阑片则以固定销钉为支点摆动，随着动圈和定圈的相对转动而改变通光孔径。

如图2所示，所述压电作动器包括第一至第四悬臂梁、以及第一至第八压电陶瓷；

所述第一至第四悬臂梁均采用金属弹性基体、首尾相连形成正方形环梁结构，正方形环梁结构的四个角均作倒角处理，其中一个角上均沿径向设有和所述限位螺钉相匹配的限位螺纹通孔，其余三个角上沿径向均设有和所述固定螺钉相匹配的固定螺纹通孔；

所述第一至第四悬臂梁内壁的中点处均设有驱动足，且第一至第四悬臂梁的驱动足和所述动圈的外壁过盈配合，将所述动圈固定在在正方形环梁结构中；

所述限位螺钉依次穿过所述限位螺纹通孔、限位槽和所述定圈固定螺纹通孔螺纹连接，用于固定所述定圈、并和所述限位槽相配合以限定所述动圈的转动角度；

所述第一至第八压电陶瓷分别对应设置在第一至第四悬臂梁中点两侧的外壁上，且第一至第八压电陶瓷均沿厚度方向极化、极化方向相同。

所述金属弹性基体的材料选用铍青铜。

第一至第八压电陶瓷可以采用粘贴的方式设置在其对应悬臂梁的外壁上，其极化方向可以均设置为相对于所粘贴的悬臂梁表面的外法方向，接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极，用于沿压电陶瓷极化方向施加电场，利用压电陶瓷的d₃₁效应在弹性基体上激励出悬臂梁的一阶和二阶弯曲振动。

所述基座呈空心圆柱状，柱壁上设有和正方形环梁结构上的三个固定螺纹通孔一一对应的螺纹通孔，通过所述三根固定螺钉和所述正方形环梁结构固定相连，用于轴向支撑所述可变光阑。

压电作动器的工作模态图3(a)和图3（b）所示，图3(a)说明，每根悬臂梁上的两片压电陶瓷施加同相交流激励信号时，激发出第一至第四悬臂梁的一阶弯曲振动，在驱动足处合成法向运动；图3(b)说明，每根悬臂梁上的两片压电陶瓷施加反相交流激励信号时，激发出第一至第四悬臂梁的二阶弯曲振动，在驱动足处合成切向运动。上述两模态在驱动足处的振动在空间上的相位差为90°，且在每种模态下，相邻悬臂梁上的驱动足的振动位移响应具有180°的相位差。

若对每根悬臂梁上的两片压电陶瓷施加相位差为90°的激励信号，具体地讲，对第一、第三、第五、第七压电陶瓷施加正弦信号，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷施加余弦信号，激励出上述两种模态的复合振动，在驱动足处产生正向椭圆运动，且相邻悬臂梁上的驱动足处的椭圆运动具有180°的相位差，即相邻悬臂梁上的驱动足在一个周期内均交替完成了一次椭圆运动。驱动足和动圈之间采用的过盈配合使驱动足压在动圈外圆周上。在驱动足椭圆运动轨迹的作用下，通过驱动足和动圈之间摩擦力的作用，推动动圈正向转动，进而带动光阑片正向转动，使可变光阑的通光孔径收缩。

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷施加余弦信号，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷施加正弦信号，此时在第一至第四悬臂梁的驱动足处产生反向椭圆运动，进而通过第一至第四悬臂梁的驱动足和动圈之间摩擦力的作用，推动动圈反向转动，进而带动光阑片反向转动，使可变光阑的通光孔径扩大。

通过控制两激励信号的相位差以及激励的脉冲数，可实现动圈不同方向和不同角度的转动。

通过调节激励信号的频率或者激励电压，可调节动圈转动速度。

通过控制压电作动器驱动动圈转动的方向和转速 ，实现可变光阑通光孔径的扩大和收缩，从而完成对光源辐射通量的控制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电驱动的可变光阑调光装置，其特征在于，包括可变光阑、限位螺钉、压电作动器、基座和三根固定螺钉，所述可变光阑、压电作动器、基座同轴设置；

所述可变光阑包括动圈、定圈和若干光阑片；

所述动圈和定圈均为底面为圆环状的空心圆柱，且所述定圈同轴设置在动圈内；

所述光阑片均一端设有和其固连的固定销钉，另一端设有能够相对其自由转动的活动销钉；

所述动圈底面上均匀设有若干和所述光阑片固定销钉一一对应的安装孔，所述定圈底面上均匀设有若干和所述光阑片活动销钉一一对应的滑动槽；

所述光阑片一端通过固定销钉和所述动圈上其对应的安装孔铰接，另一端通过活动销钉安装在所述定圈上其对应的滑动槽内；

所述定圈的柱壁上设有定圈固定螺纹通孔；所述动圈的外壁上环向设有限位槽；

所述压电作动器包括第一至第四悬臂梁、以及第一至第八压电陶瓷；

所述第一至第四悬臂梁均采用金属弹性基体、首尾相连形成正方形环梁结构，正方形环梁结构的四个角均作倒角处理，其中一个角上均沿径向设有和所述限位螺钉相匹配的限位螺纹通孔，其余三个角上沿径向均设有和所述固定螺钉相匹配的固定螺纹通孔；

所述第一至第四悬臂梁内壁的中点处均设有驱动足，且第一至第四悬臂梁的驱动足和所述动圈的外壁过盈配合，将所述动圈固定在在正方形环梁结构中；

所述限位螺钉依次穿过所述限位螺纹通孔、限位槽和所述定圈固定螺纹通孔螺纹连接，用于固定所述定圈、并和所述限位槽相配合以限定所述动圈的转动角度；

所述第一至第八压电陶瓷分别对应设置在第一至第四悬臂梁中点两侧的外壁上，且第一至第八压电陶瓷均沿厚度方向极化、极化方向相同；

所述基座呈空心圆柱状，柱壁上设有和正方形环梁结构上的三个固定螺纹通孔一一对应的螺纹通孔，通过所述三根固定螺钉和所述正方形环梁结构固定相连，用于轴向支撑所述可变光阑。

2.根据权利要求1所述的压电驱动的可变光阑调光装置，其特征在于，所述金属弹性基体的材料选用铍青铜。

3.根据权利要求1所述的压电驱动的可变光阑调光装置，其特征在于，所述第一至第八压电陶瓷采用粘贴的方式对应设置在第一至第四悬臂梁中点两侧的外壁上。

4.基于权利要求1所述的压电驱动的可变光阑调光装置的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

将第一至第八压电陶瓷的极化方向均设置为相对于所粘贴的悬臂梁表面的外法方向；

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷施加正弦信号，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷施加余弦信号，激发出第一至第四悬臂梁的一阶和二阶弯曲模态的复合振动，在第一至第四悬臂梁的驱动足处产生正向椭圆运动，进而通过第一至第四悬臂梁的驱动足和动圈之间摩擦力的作用，推动动圈正向转动，使可变光阑的通光孔径收缩；

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷施加余弦信号，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷施加正弦信号，激发出第一至第四悬臂梁的一阶和二阶弯曲模态的复合振动，在第一至第四悬臂梁的驱动足处产生反向椭圆运动，进而通过第一至第四悬臂梁的驱动足和动圈之间摩擦力的作用，推动动圈反向转动，使可变光阑的通光孔径扩大。