CN108873319B - 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、位移放大机构和叠堆型压电陶瓷执行器，外框架为一体成型结构，包括横向底板、两块纵向侧板、横梁和两个镜架，镜架通过第一柔性铰链与纵向侧板连接，镜架通过第一柔性连接件与横梁的端部连接，位移放大机构与横梁、横向底板固定连接，反射镜片的端部固定连接在镜架上；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，传感器支架固定连接在两块纵向侧板的上安装面上。该反射镜能提高抗振动和抗冲击能力。

Description

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）由于柔性连接件的转动自由度未受限制，在位移放大机构带动柔性连接件产生推拉作用，以使反射镜体旋转时，柔性连接件容易在非工作方向上产生运动，从而影响反射镜体旋转角度的精度。

（3）在温度变化时，镜体连接部（相当于本申请中的镜架）会出现转动偏摆误差，从而影响反射镜体旋转角度的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维快速控制反射镜，以提高抗振动和抗冲击能力。

本发明所述的一维快速控制反射镜，包括反射镜片、外框架、位移放大机构和预压紧在位移放大机构内的叠堆型压电陶瓷执行器，所述外框架为一体成型结构，包括横向底板、设在横向底板两侧的相互平行的两块纵向侧板、与横向底板平行且横贯两块纵向侧板的横梁和分别位于两块纵向侧板上端中部的两个镜架，镜架通过第一柔性铰链与纵向侧板连接，镜架通过第一柔性连接件与横梁的端部连接，所述位移放大机构位于横向底板与横梁之间，且上部与横梁固定连接、下部与横向底板固定连接，所述反射镜片的端部固定连接在镜架上，镜架与反射镜片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，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两块纵向侧板的上安装面上。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。

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。

所述横梁的端部通过设在纵向侧板的导向孔内的柔性导向机构与纵向侧板连接。柔性导向机构限制了横梁的转动自由度，约束了横梁除竖直方向（即Z轴方向）以外的其他方向上的位移，提高了横梁的位移精度，进而提高了反射镜片转动偏摆角度的精度。

所述柔性导向机构由竖直连接在横梁的端部下表面的支撑臂和关于支撑臂对称的两组柔性导向件构成，每组柔性导向件又由上下对称的两个第二柔性连接件构成，第二柔性连接件由第二、第三、第四柔性铰链和第一、第二连接臂构成，第二柔性铰链与第四柔性铰链处于同一水平线上，第三柔性铰链处于第二柔性铰链所在的水平线下方或者上方，第二柔性铰链的一侧与纵向侧板的导向孔壁连接、另一侧与第一连接臂的一侧连接，第一连接臂的另一侧与第三柔性铰链的一侧连接，第三柔性铰链的另一侧与第二连接臂的一侧连接，第二连接臂的另一侧与第四柔性铰链的一侧连接，第四柔性铰链的另一侧与支撑臂连接。支撑臂竖直连接在横梁的端部下表面，两组柔性导向件关于支撑臂对称，从而更好的平衡了横梁的受力，限制了横梁的转动自由度，约束了横梁除竖直方向（即Z轴方向）以外的其他方向上的位移；另外，由于每组柔性导向件的两个第二柔性连接件上下对称，且第二柔性铰链与第四柔性铰链处于同一水平线上，第三柔性铰链处于第二柔性铰链所在的水平线下方或者上方，在温度变化时，上下对称的这两个第二柔性连接件的变现方向相反，刚好抵消了温度变化的影响，从而实现了驱动镜架转动偏摆的温度补偿，反射镜片不会出现转动偏摆误差，从而更进一步提高了反射镜片转动偏摆角度的精度。

所述第一定极板组件的第一定极板和第二定极板组件的第二定极板都由PCB工艺加工获得，引线可以采用PCB的焊接工艺，增强了可靠性，而且结构尺寸小、重量轻。

本发明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，作为控制叠堆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。采用了温度补偿结构设计，具有更好的温度稳定性。

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为图2中的A向视图。

图4为本发明的剖视图。

图5为本发明中的外框架的右视图。

图6为本发明中的外框架的俯视图。

图7为图6的B-B剖视图。

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7所示的一维快速控制反射镜，包括反射镜片1、电容式微位移传感器、外框架、位移放大机构4和叠堆型压电陶瓷执行器5。位移放大机构4为内设空腔的椭圆形弹性圈，叠堆型压电陶瓷执行器5预压紧（即过盈装配）在位移放大机构4内的长轴方向，且位移放大机构4中安装叠堆型压电陶瓷执行器5的两内表面之间平行，在位移放大机构4的短轴方向的下部加工有螺纹连接孔、上部加工有安装螺纹孔。

外框架为一体成型结构，由一块完整的材料加工而成，包括横向底板8、设在横向底板8两侧的相互平行的两块纵向侧板12、与横向底板8平行且横贯两块纵向侧板12的横梁9和分别位于两块纵向侧板12上端中部的两个镜架6，横向底板8上加工有安装螺纹孔，横梁9上加工有螺纹连接孔，镜架6呈“几”字形，镜架6的下表面中部通过第一柔性铰链10与纵向侧板12连接，镜架6的下表面中部靠右位置通过第一柔性连接件11与横梁9的端部上表面连接，纵向侧板12的导向孔内设有柔性导向机构，柔性导向机构由竖直连接在横梁9的端部下表面的支撑臂18和关于支撑臂18对称的两组柔性导向件构成，每组柔性导向件又由上下对称的两个第二柔性连接件构成，第二柔性连接件由第二柔性铰链13、第三柔性铰链14、第四柔性铰链15和第一连接臂16、第二连接臂17构成，第二柔性铰链13与第四柔性铰链15处于同一水平线上，第三柔性铰链14处于第二柔性铰链13所在的水平线下方（也可以是上方），第二柔性铰链13的一侧与纵向侧板12的导向孔壁连接、另一侧与第一连接臂16的一侧连接，第一连接臂16的另一侧与第三柔性铰链14的一侧连接，第三柔性铰链14的另一侧与第二连接臂17的一侧连接，第二连接臂17的另一侧与第四柔性铰链15的一侧连接，第四柔性铰链15的另一侧与支撑臂18连接。

位移放大机构4位于横向底板8与横梁9之间，位移放大机构4的上部通过螺钉与螺纹连接孔、安装螺纹孔的配合而与横梁9固定连接，位移放大机构4的下部通过螺钉与螺纹连接孔、安装螺纹孔的配合而与横向底板8固定连接，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7上，传感器支架7通过螺钉固定连接在两块纵向侧板12的上安装面上，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6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6的左部、右部，以第一柔性铰链10作为旋转副，在第一柔性连接件11的驱动作用下，镜架6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。

本发明的工作过程如下：

当需要反射镜片1绕旋转轴线转动偏摆时，控制器输出电压信号，叠堆型压电陶瓷执行器5接收到该电压信号后，产生微位移，该微位移作用于位移放大机构4，位移放大机构4产生竖直方向上的位移，与位移放大机构4连接的横梁9产生相应的竖直方向上的位移，通过第一柔性连接件11驱动镜架6与反射镜片1一起绕旋转轴线转动偏摆，第一、第二定极板与反射镜片1的间距，一个增加、一个减小，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，并反馈给控制器，实现对反射镜片1转动偏摆角度的闭环控制，从而推动反射镜片1做期望的偏摆。

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 (4)

1.一种一维快速控制反射镜，包括反射镜片（1）、外框架、位移放大机构（4）和预压紧在位移放大机构（4）内的叠堆型压电陶瓷执行器（5），所述外框架为一体成型结构，包括横向底板（8）、设在横向底板（8）两侧的相互平行的两块纵向侧板（12）、与横向底板（8）平行且横贯两块纵向侧板（12）的横梁（9）和分别位于两块纵向侧板上端中部的两个镜架（6），镜架（6）通过第一柔性铰链（10）与纵向侧板（12）连接，镜架（6）通过第一柔性连接件（11）与横梁（9）的端部连接，所述位移放大机构（4）位于横向底板（8）与横梁（9）之间，且上部与横梁（9）固定连接、下部与横向底板（8）固定连接，所述反射镜片（1）的端部固定连接在镜架（6）上，镜架（6）与反射镜片（1）能绕旋转轴线转动偏摆；其特征在于：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（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（7）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（7）固定连接在两块纵向侧板（12）的上安装面上；

所述横梁（9）的端部通过设在纵向侧板（12）的导向孔内的柔性导向机构与纵向侧板（12）连接；所述柔性导向机构由竖直连接在横梁（9）的端部下表面的支撑臂（18）和关于支撑臂（18）对称的两组柔性导向件构成，每组柔性导向件又由上下对称的两个第二柔性连接件构成，第二柔性连接件由第二、第三、第四柔性铰链（13、14、15）和第一、第二连接臂（16、17）构成，第二柔性铰链（13）与第四柔性铰链（15）处于同一水平线上，第三柔性铰链（14）处于第二柔性铰链（13）所在的水平线下方或者上方，第二柔性铰链（13）的一侧与纵向侧板（12）的导向孔壁连接、另一侧与第一连接臂（16）的一侧连接，第一连接臂（16）的另一侧与第三柔性铰链（14）的一侧连接，第三柔性铰链（14）的另一侧与第二连接臂（17）的一侧连接，第二连接臂（17）的另一侧与第四柔性铰链（15）的一侧连接，第四柔性铰链（15）的另一侧与支撑臂（18）连接。

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至3任一项所述的一维快速控制反射镜，其特征在于：所述第一定极板组件（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。

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