CN108732745A - 一种一维快速控制反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一维快速控制反射镜，包括反射镜片、外框架和执行器机构，外框架为一体成型结构，包括基座和两个镜架，外框架还包括杠杆机构，基座具有纵向侧板和两块横向侧板，两块横向侧板的一端各自通过一根第一柔性铰链与杠杆机构连接，镜架通过第二柔性铰链与横向侧板连接，通过第一柔性连接件与杠杆机构的位移放大输出端连接，执行器机构一端与纵向侧板固定连接，另一端与杠杆机构的位移输入板配合；反射镜还包括电容式微位移传感器，电容式微位移传感器包括反映反射镜片转动偏摆的动极板和位于反射镜片下方的构成差动传感的第一、第二定极板组件。该反射镜能提高抗振动和抗冲击能力，同时整体高度小，偏摆角度大。

Description

一种一维快速控制反射镜

技术领域

本发明属于快速控制反射镜领域，具体涉及一种一维快速控制反射镜。

背景技术

快速控制反射镜是一种在输入的电信号控制下实时调整镜面角度的装置，具有体积小、速度快、精度高等优点，能够实现高频率的角度指向、扫描和稳定，在自适应光学补偿、视觉跟踪、图像稳定等方面有着广泛的应用。

现有的快速控制反射镜主要有音圈电机驱动和压电陶瓷驱动两种驱动方式，一般来说，前者扫描角度较大但谐振频率较低，后者扫描角度较小但是扫描频率高。

CN103823302A公开了一种一维快速控制反射镜，其采用压电陶瓷驱动，能够提供单纯的角度偏转，整体结构紧凑。但是其仍然存在如下问题：（1）不能实时检测反射镜体的旋转角度，作为控制压电陶瓷执行器产生微位移的反馈，当反射镜片因为振动和冲击而出现偏摆时由于没有反馈而无法得到控制，反射镜的抗振动和抗冲击能力差。（2）反射镜整体高度较高，并且反射镜片转动偏摆角度范围较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维快速控制反射镜，以在提高抗振动和抗冲击能力的同时减小反射镜整体高度，保证大角度偏摆。

本发明所述的一维快速控制反射镜，包括反射镜片、外框架和执行器机构，所述外框架为一体成型结构，包括基座和两个镜架，反射镜片的端部固定连接在镜架上；所述外框架还包括杠杆机构，所述基座具有纵向侧板和两块横向侧板，两块横向侧板的一端分别与纵向侧板的端部连接，两块横向侧板的另一端各自通过一根作为支点的第一柔性铰链与杠杆机构连接，两个镜架分别位于两块横向侧板和杠杆机构上方，镜架通过第二柔性铰链与横向侧板连接，镜架通过第一柔性连接件与杠杆机构的位移放大输出端连接，所述执行器机构位于外框架内，且一端与纵向侧板固定连接，另一端与杠杆机构的位移输入板配合，在执行器机构的驱动下，通过杠杆机构、横向侧板、第一柔性连接件和第二柔性铰链之间的相互作用，能使镜架与反射镜片绕旋转轴线转动偏摆；所述反射镜还包括电容式微位移传感器，所述电容式微位移传感器包括反映反射镜片转动偏摆的动极板和位于反射镜片下方的第一、第二定极板组件，第一定极板组件与第二定极板组件相互平行的固定在传感器支架上，且分别位于所述旋转轴线下方两侧，第一定极板组件的第一定极板、第二定极板组件的第二定极板都与所述动极板正对，传感器支架固定连接在基座内。当反射镜片角度变化（即反射镜片转动偏摆）时，如果第一定极板与动极板的间距增加，那么第二定极板与动极板的间距就减小，如果第一定极板与动极板的间距减小，那么第二定极板与动极板的间距就增加，从而构成差动传感，可以提高抗干扰能力。

所述动极板有三种结构形式：如果反射镜片为导电体，则反射镜片直接构成动极板；如果反射镜片为非导电体，则动极板为覆盖在反射镜片的非反光面上的导电膜或者导电极板。

所述杠杆机构的位移输入板上设置有预压紧机构，预压紧机构的预压紧方向与所述执行器机构的伸缩方向平行，预压紧机构使反射镜片在非工作状态下与第一、第二定极板之间存在初始夹角，通过预压紧机构与执行器机构的相互作用，可以实现反射镜片绕旋转轴线顺时针方向的转动偏摆和逆时针方向的转动偏摆。

所述预压紧机构有两个，两个预压紧机构分别设置在所述杠杆机构的位移输入板的两端部，每个预压紧机构由碟形弹簧与螺钉构成，碟形弹簧穿套在螺钉上，螺钉穿过杠杆机构的位移输入板的端部上的通孔，与横向侧板上的螺纹孔螺接，碟形弹簧处于压缩状态且一端与螺钉的头部抵靠、另一端与杠杆机构的位移输入板的端部抵靠（即碟形弹簧被压缩在螺钉的头部与杠杆机构的位移输入板的端部之间）。

所述执行器机构包括矩形框、两个纵向连接块和压装在矩形框内的压电陶瓷叠堆执行器，矩形框与两个纵向连接块为一体成型结构，矩形框的两横梁上具有沿压电陶瓷叠堆执行器的伸缩方向延伸的波纹型结构，矩形框的两纵梁各自通过一根第三柔性铰链与两个纵向连接块连接，其中一个纵向连接块与纵向侧板固定连接，另一个纵向连接块与杠杆机构的位移输入板抵靠。这样不仅方便安装，而且推动杠杆机构运动时杠杆机构的转动不会使压电陶瓷叠堆执行器产生扭矩。

所述矩形框有多个，多个矩形框并排位于两个纵向连接块之间，且每个矩形框的两纵梁各自通过一根第三柔性铰链与两个纵向连接块连接，每个矩形框内都压装有压电陶瓷叠堆执行器。利用多个压电陶瓷叠堆执行器并排的方式实现驱动，在使杠杆机构的位移输入板具有较大位移的同时，也减小了执行器机构的高度，对外框架的空间占用较小。

与所述电容式微位移传感器电连接的前置放大模块安装在外框架的底部。电容式微位移传感器与前置放大模块之间的距离较近，从而提高了抗干扰能力，相应地提高了系统性能。

所述纵向侧板上安装有电连接器，所述电连接器与所述前置放大模块、压电陶瓷叠堆执行器电连接。电连接器方便了前置放大模块、压电陶瓷叠堆执行器与外部相关控制设备（比如上位机）连接。

本发明具有如下效果：

（1）使用电容式微位移传感器实时检测反射镜片的转动偏摆角度，作为控制堆叠型压电陶瓷执行器产生微位移的反馈，实现了闭环控制，当反射镜片因为振动和冲击而出现偏摆时也能够得到控制，从而提高了反射镜的抗振动和抗冲击能力，并且电容式微位移传感器采用差动传感方式也提高了抗干扰能力。

（2）执行器机构和电容式微位移传感器的第一、第二定极板组件以及传感器支架都位于外框架内，并且实现位移放大的杠杆机构是外框架的组成部分，从而减小了快速控制反射镜的整体高度，保证了大角度偏摆，非常适用于安装位置的空间高度有限且需要大角度偏摆的场合。

附图说明

图1为本发明的分解示意图。

图2为本发明的轴测图。

图3为本发明的剖视图。

图4为图2中的B向部分剖视图。

图5为本发明的仰视图。

图6为图5的A-A剖视图。

图7为本发明中的电容式微位移传感器的部分结构示意图。

图8为本发明中的执行器机构的轴测图。

图9为本发明中的执行器机构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图9所示的一维快速控制反射镜，包括反射镜片1、外框架、执行器机构5、电容式微位移传感器和两个预压紧机构8，外框架为一体成型结构，由一块完整的材料加工而成，包括基座、杠杆机构9和两个镜架7，基座具有纵向侧板10和两块横向侧板13，纵向侧板10上安装有电连接器11，两块横向侧板13的一端分别与纵向侧板10的端部连接，两块横向侧板13的另一端各自通过一根作为支点的第一柔性铰链15与杠杆机构9连接，两个镜架7分别位于两块横向侧板13和杠杆机构9上方，镜架7呈“几”字形，镜架7的下表面中部通过第二柔性铰链12与横向侧板13连接，镜架7的下表面中部靠右位置通过第一柔性连接件14与杠杆机构9的位移放大输出端连接。

执行器机构5位于外框架内，执行器机构5包括两个矩形框17、两个纵向连接块16和压装在两个矩形框17内的两个压电陶瓷叠堆执行器19，压电陶瓷叠堆执行器19与电连接器11电连接，两个矩形框17并排位于两个纵向连接块16之间，且与两个纵向连接块16为一体成型结构（即由一块材料加工而成），矩形框17的两横梁上具有沿压电陶瓷叠堆执行器19的伸缩方向延伸的波纹型结构，矩形框17的两纵梁各自通过一根第三柔性铰链18与两个纵向连接块16连接，其中一个纵向连接块16通过螺钉与纵向侧板10固定连接，另一个纵向连接块16与杠杆机构9的位移输入板抵靠，杠杆机构9的位移放大输出端的臂长比位移输入板的输入臂长长。两个预压紧机构8分别设置在杠杆机构9的位移输入板的两端部，预压紧机构8的预压紧方向与压电陶瓷叠堆执行器19的伸缩方向平行，每个预压紧机构8由碟形弹簧与螺钉构成，碟形弹簧穿套在螺钉上，螺钉穿过杠杆机构9的位移输入板的端部上的通孔，与横向侧板13上的螺纹孔螺接，碟形弹簧处于压缩状态且一端与螺钉的头部抵靠、另一端与杠杆机构9的位移输入板的端部抵靠（即碟形弹簧被压缩在螺钉的头部与杠杆机构9的位移输入板的端部之间）。

电容式微位移传感器包括反映反射镜片1转动偏摆的动极板和第一定极板组件2、第二定极板组件3，第一定极板组件2与第二定极板组件3相互平行的固定在传感器支架4上，传感器支架4通过螺钉固定连接在基座内，反射镜片1的两端部各具有两个连接耳，反射镜片1的一端的两个连接耳分别通过螺钉固定连接在一个镜架7的左部、右部，反射镜片1的另一端的两个连接耳分别通过螺钉固定连接在另一个镜架7的左部、右部，以第二柔性铰链12作为旋转副，在第一柔性连接件14的推拉作用下，镜架7与反射镜片1能绕处于反射镜片1上的旋转轴线转动偏摆；第一定极板组件2、第二定极板组件3位于该旋转轴线下方两侧，反射镜片1为导电体，则反射镜片1直接构成动极板，第一定极板组件2的第一定极板、第二定极板组件3的第二定极板都与反射镜片1正对，第一定极板组件2的第一定极板和第二定极板组件3的第二定极板都由PCB工艺加工获得，与电容式微位移传感器电连接的前置放大模块6安装在外框架的底部，同时前置放大模块6也与电连接器11电连接。

本发明的工作过程如下：

由于预压紧机构8的预压紧作用使反射镜片1在非工作状态下与第一、第二定极板之间存在初始夹角，因此，在使用时需要先通过上位机输出一个初始电压给叠堆型压电陶瓷执行器19，使叠堆型压电陶瓷执行器19伸长（即产生正方向的初始位移）并作用于杠杆机构9的位移输入板，使杠杆机构9的位移输入板产生正方向的位移以抵消预压紧机构8使杠杆机构9的位移输入板产生的负方向的位移（即使杠杆机构9的位移输入板处于零位），从而使反射镜片1与第一定极板、第二定极板平行（即使反射镜片1处于零位）。

在反射镜片1处于零位的状态下，如果需要反射镜片1绕旋转轴线顺时针转动偏摆，则上位机在初始电压的基础上增大输出电压，叠堆型压电陶瓷执行器19继续伸长并作用于杠杆机构9的位移输入板，继续压缩预压紧机构8的蝶形弹簧，使杠杆机构9的位移输入板产生正方向的位移，以第一柔性铰链15作为杠杆支点，杠杆机构9的位移放大输出端产生放大后的向下的位移，作用于第一柔性连接件14，第一柔性连接件14拉动镜架6与反射镜片1一起绕旋转轴线顺时针转动偏摆，第一定极板与反射镜片1的间距增加，第二定极板与反射镜片1的间距减小，第一、第二定极板组件实时输出反映第一、第二定极板与反射镜片1的间距变化的电信号，经前置放大模块放大，再经差动处理后，转化成反射镜片1的转动偏摆角度的变化量，并反馈给上位机，实现对反射镜片1顺时针转动偏摆角度的闭环控制。

在反射镜片1处于零位的状态下，如果需要反射镜片1绕旋转轴线逆时针转动偏摆，则上位机在初始电压的基础上减小输出电压，叠堆型压电陶瓷执行器19缩短（即产生负方向的位移），预压紧机构8的蝶形弹簧提供回复力，作用于杠杆机构9的位移输入板，使杠杆机构9的位移输入板产生负方向的位移，以第一柔性铰链15作为杠杆支点，杠杆机构9的位移放大输出端产生放大后的向上的位移，作用于第一柔性连接件14，第一柔性连接件14推动镜架6与反射镜片1一起绕旋转轴线逆时针转动偏摆，第一定极板与反射镜片1的间距减小，第二定极板与反射镜片1的间距增加，第一、第二定极板组件实时输出反映第一、第二定极板与反射镜片1的间距变化的电信号，经前置放大模块放大，再经差动处理后，转化成反射镜片1的转动偏摆角度的变化量，并反馈给上位机，实现对反射镜片1逆时针转动偏摆角度的闭环控制。反射镜片1绕旋转轴线逆时针转动偏摆的最大角度为反射镜片1在非工作状态下与第一、第二定极板之间存在的初始夹角。

上述实施例中，如果反射镜片1为非导电体，则可以在反射镜片1的非反光面上镀导电膜，形成动极板，也可以在反射镜片1的非反光面上设置导电极板，形成动极板。

Claims (9)

1.一种一维快速控制反射镜，包括反射镜片（1）、外框架和执行器机构（5），所述外框架为一体成型结构，包括基座和两个镜架（7），反射镜片（1）的端部固定连接在镜架（7）上；其特征在于：

所述外框架还包括杠杆机构（9），所述基座具有纵向侧板（10）和两块横向侧板（13），两块横向侧板（13）的一端分别与纵向侧板（10）的端部连接，两块横向侧板（13）的另一端各自通过一根作为支点的第一柔性铰链（15）与杠杆机构（9）连接，两个镜架（7）分别位于两块横向侧板和杠杆机构上方，镜架（7）通过第二柔性铰链（12）与横向侧板（13）连接，通过第一柔性连接件（14）与杠杆机构（9）的位移放大输出端连接，所述执行器机构（5）位于外框架内，且一端与纵向侧板（10）固定连接，另一端与杠杆机构（9）的位移输入板配合，镜架（7）与反射镜片（1）能绕旋转轴线转动偏摆；

所述反射镜还包括电容式微位移传感器，电容式微位移传感器包括反映反射镜片（1）转动偏摆的动极板和位于反射镜片（1）下方的第一、第二定极板组件（2、3），第一定极板组件（2）与第二定极板组件（3）相互平行的固定在传感器支架（4）上，且分别位于所述旋转轴线下方两侧，第一定极板组件（2）的第一定极板、第二定极板组件（3）的第二定极板都与所述动极板正对，传感器支架（4）固定连接在基座内。

2.根据权利要求1所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述反射镜片（1）为导电体，反射镜片（1）直接构成所述动极板。

3.根据权利要求1所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述反射镜片（1）为非导电体，所述动极板为覆盖在反射镜片（1）的非反光面上的导电膜或者导电极板。

4.根据权利要求1或2或3所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述杠杆机构（9）的位移输入板上设置有预压紧机构（8），预压紧机构（8）的预压紧方向与所述执行器机构（5）的伸缩方向平行。

5.根据权利要求4所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述预压紧机构（8）有两个，两个预压紧机构（8）分别设置在所述杠杆机构（9）的位移输入板的两端部，每个预压紧机构（8）由碟形弹簧与螺钉构成，碟形弹簧穿套在螺钉上，螺钉穿过杠杆机构（9）的位移输入板的端部上的通孔，与横向侧板（13）上的螺纹孔螺接，碟形弹簧处于压缩状态且一端与螺钉的头部抵靠、另一端与杠杆机构（9）的位移输入板的端部抵靠。

6.根据权利要求1至5任一所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述执行器机构（5）包括矩形框（17）、两个纵向连接块（16）和压装在矩形框内的压电陶瓷叠堆执行器（19），矩形框（17）与两个纵向连接块（16）为一体成型结构，矩形框的两横梁上具有沿压电陶瓷叠堆执行器的伸缩方向延伸的波纹型结构，矩形框的两纵梁各自通过一根第三柔性铰链（18）与两个纵向连接块连接，其中一个纵向连接块（16）与纵向侧板（10）固定连接，另一个纵向连接块（16）与杠杆机构（9）的位移输入板抵靠。

7.根据权利要求6所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述矩形框（17）有多个，多个矩形框并排位于两个纵向连接块（16）之间，且每个矩形框的两纵梁各自通过一根第三柔性铰链（18）与两个纵向连接块连接，每个矩形框内都压装有压电陶瓷叠堆执行器（19）。

8.根据权利要求6所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：与所述电容式微位移传感器电连接的前置放大模块（6）安装在外框架的底部。

9.根据权利要求8所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述纵向侧板（10）上安装有电连接器（11），所述电连接器（11）与所述前置放大模块（6）、压电陶瓷叠堆执行器（19）电连接。