CN110690832B - 一种压电驱动器、光纤扫描模组和投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤扫描模组和投影设备，所述压电驱动器，包括压电本体和电极，所述压电本体为极化后的压电材料，部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围。本发明的压电驱动器的部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围，使得可以通过分离电极实现驱动力方向的改变，实现扫描器响应的补偿、灵活方便，提升成像质量，另外还可以实现一对电极实现多维扫描。

Description

一种压电驱动器、光纤扫描模组和投影设备

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种压电驱动器、光纤扫描模组和投影设备。

背景技术

光纤扫描投影成像系统利用驱动器带动光纤高速振动，配合激光调制算法，实现图像信息的显示。另外，现有压电类驱动器，电极通过印刷等方式紧紧依附在压电陶瓷(或其他压电类材料)上，随着驱动器本体一起运动，其电场方向完全固定，因而施力方向固定，若要实现二维扫描，至少需要两个方向的施力，即至少需要2对电极。

另外光纤扫描器为了实现最大幅度的振动，光纤一般设置为工作在共振模式，而共振状态下光纤的扫描特性复杂，由于振动的非线性效应、光纤对称性、扫描器安装的对称性、稳定性等因素，导致光纤在共振区内振动幅度较大时，快轴的扫描轨迹不再是理想的水平的直线，而是倾斜的直线、甚至是椭圆。根据文献：High performance open loopcontrol of scanning with a small cylindrical cantilever beam，Journal of Soundand Vibration 330(2011)1762–1771的研究结果显示：由于施力方向和受迫振动悬臂梁的本征轴之间无法精确重合，将引起非激励平面的响应，影响成像效果。理想状态下，均匀分布、完美圆形截面光纤的沿半径各方向的振动性能应该是无限接近的，而实际上，由于加工制作、重力等不可避免的因素，导致光纤并非完美对称的，使得本征轴略有偏移，而在扫描器制作过程中，这种偏移的程度无法通过安装进行精确对准调整，因此会产生非激励平面的响应，非激励平面的响应引起的倾斜直线、椭圆将严重影响成像质量，该问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电驱动器、光纤扫描模组和投影设备，解决现有压电驱动器因电场方向固定而无法通过改变施力方向进行扫描轨迹偏差校正的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种压电驱动器，包括压电本体和电极，所述压电本体为极化后的压电材料，部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围。

优选的，所述压电本体为压电管，所述电极包括内电极和外电极，内电极依附在压电管内侧，至少一对外电极与压电管分离。

优选的，所述压电驱动器还包括用于封装所述压电管的壳体，与压电管分离的外电极设置在所述壳体内侧；所述壳体可转动，或所述与压电管分离的外电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

优选的，所述与压电管分离的外电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧的设置方式包括：在所壳体内壁上设置用于安装外电极的导轨，在导轨上对称设置所述至少一对可沿导轨滑动的外电极。

优选的，所述压电驱动器包括两对外电极，一对外电极与压电管分离，一对外电极与压电管固定。

优选的，所述压电驱动器只有一对外电极且该对外电极与压电管分离。

优选的，所述压电管为圆柱形压电管或方棒型压电管。

优选的，当所述压电管为圆柱形压电管时，所述与压电管分离的外电极是与压电管同心的弧形电极。

优选的，所述弧形电极的长度与扫描器有效长度一致。

优选的，所述压电本体为压电管，所述电极包括内电极和外电极，外电极依附在压电管外侧，至少一对内电极与压电管分离。

优选的，所述压电本体为压电双晶片结构，双晶片的上、下电极与压电本体分离；与压电本体分离的上、下电极对称设置于封装所述压电本体的壳体内侧；所述壳体可转动，或所述与压电本体分离的上、下电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

优选的，所述压电本体为压电双晶片结构，所述压电驱动器还包括用于封装所述压电本体的壳体，在所述壳体内侧对称设置有至少一对补偿电极；所述壳体可转动，或所述补偿电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

优选的，所述压电本体由方棒型基板和方棒四表面各设置的一压电片组成，每片压电片与方棒型基板之间设置有内电极；所述压电驱动器只具有一对与压电片分离的外电极，该对外电极对称设置于封装所述压电本体的壳体内侧；所述壳体可转动，或与所述压电本体分离的电极对以可滑动的方式对称设置于所述壳体内侧。

优选的，所述压电驱动器还包括电极转动机构，用于带动与压电本体分离的电极转动。

相应的，本发明还提供一种光纤扫描模组，包括光纤和光纤扫描驱动器，所述光纤扫描驱动器为上述的压电驱动器。

优选的，所述光纤扫描模组还包括扫描轨迹监测模块，用于监测扫描图像轨迹并发送监测数据至光纤扫描模组的处理器；所述处理器根据所述监测数据计算矫正参数，并指令所述电极转动机构根据所述校正参数带动所述与压电本体分离的电极转动。

相应的，本发明还提供一种光纤扫描模组，包括光纤和光纤扫描驱动器，所述光纤扫描驱动器为权利要求上述压电驱动器中仅带一对外电极的压电驱动器；所述压电驱动器还包括电极转动机构，用于带动与压电本体分离的电极高频旋转，配合所述压电驱动器的驱动电压变化，实现一对电极二维扫描。

相应的，本发明还提供一种投影设备，所述投影设备包括如上述的光纤扫描模组。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的压电驱动器的部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围，使得可以通过分离电极实现驱动力方向的改变，实现扫描器响应的补偿、灵活方便，提升成像质量，另外还可以实现一对电极实现多维扫描，给光纤扫描领域之后的研究提供一种全新的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本发明实施例圆柱形管状压电驱动器的第一种结构示意图；

图2是本发明实施例圆柱形管状压电驱动器的第二种结构示意图；

图3是本发明实施例圆柱形管状压电驱动器的第三种结构剖面示意图；

图4是本发明实施例圆柱形管状压电驱动器的第四种结构示意图；

图5是本发明实施例方棒型管状压电驱动器的结构示意图；

图6是本发明实施例另一种方棒型压电驱动器的结构示意图；

图7是本发明实施例一种光纤扫描驱动器的结果示意图。

图中标记：10-圆柱形压电管，11-驱动本体，12-方棒型压电管，21\27-内电极，22\23\24\25\26-外电极，30\31壳体，41\42-驱动极。61-压电片，5-光纤，6-基座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的发明人发现，现有压电类驱动器，特别是用于光纤扫描的压电类驱动器，其电极均是通过印刷等方式紧紧依附在压电陶瓷(或其他压电类材料)上，随着驱动器本体一起运动，其电场方向完全固定，本发明的发明人发现压电材料本身是绝缘体，其因电场作用产生机械变形，其作用机理仅与电场强度直接相关，并不需要直接与电极接触，因此本发明提出可以将压电类驱动器的部分电极或全部电极与压电本体分离设置，达到驱动力可调或一对电极实现多维扫描，给光纤扫描领域之后的研究提供一种全新的思路。下面将结合附图对本发明实施例进行详细介绍。

本发明所有实施例的压电驱动器，均包括压电本体和电极，所述压电本体为极化后的压电材料，本发明与现有技术的区别点在于，本发明的压电驱动器的部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动(可移动指平移、偏移或转动等移动方式)的方式设置在压电本体周围，使得可以通过分离电极实现驱动力方向的改变，实现扫描器响应的补偿、灵活方便，提升成像质量。

本发明所有实施例中，与压电本体分离的电极形状、长度均不限，甚至长度可以设置为可调节。且分离电极的数量不做限制、可根据实际使用需求制定。

参见图1～图4，是圆柱形管状压电驱动器在本发明实施例中的实施方式，图1～图4实施例中，压电本体为圆柱形压电管10，其极化方向沿半径方向。

图1实施例中，所述压电驱动器只有一对外电极且该对外电极与压电管分离，参见图1，内电极21依附在压电管内侧，外电极22和外电极23为一对外电极，二者与圆柱形压电管10分离，以任一种可移动的方式设置在压电本体周围，根据圆柱形压电管10的极化方向对外电极22、23同步施加驱动电压，圆柱形压电管10在内、外电极间的电场作用下实现驱动。在图1～图4实施例中，由于压电本体为圆柱形压电管，为使有效驱动区域更大，保证较好的驱动效果更好，一种较优实施例为：与压电管分离的外电极是与压电管同心的弧形电极，参见图1～图4，均是以同心弧形电极的方式示意。且从长度方向来说，较优方式为所述弧形电极的长度与扫描器有效长度一致。

图2实施例在图1实施例的基础上，增加了一对外电极(外电极24、25)如图2，外电极24、25附着在压电管外表面，外电极22、23与压电管外表面分离。

需要说明的是，图1和图2中的与压电管分离的外电极可以以任何可移动或可转动的方式设置在距离压电管外表面一定距离处，例如可以将分离的外电极设置在用于封装所述压电管的壳体内侧，为了实现分离外电极可转动，可以采用分离外电极固定在壳体内侧且壳体可转动的结构。另一种实施例中，也可以采用分离外电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。如图3所示，图3是在图2的基础上增加示意了封装所述压电管的壳体30，外电极22、23设置在壳体30内侧。一种实施方式中，外电极22、23固定在壳体30内侧，壳体30可转动；另一种实施例中，在壳体30内壁上设置用于安装外电极的导轨(图3未示意出导轨)，在导轨上对称设置可沿导轨滑动的分离外电极。其中，图3是以图2四分外电极为例，当与压电管分离的外电极为多对时，按照同样方式做相应处理即可，在采用导轨固定分离外电极实施例方案中，每一对外电极可共用一个导轨，也可每个电极单独用一个导轨，当与压电管分离的外电极为多对时，可以根据需求设置多根导轨或共用一根导轨均可，在此不做任何限制。

图1～图3均是以外电极分离为实施例，作为替代方案，具体实施时，可以将所有外电极依附在压电管外侧，将至少一对内电极与压电管分离，如图4所示，图4中，四个外电极26依附在圆柱形压电管10外侧，一对内电极27与压电管内侧分离，同样，一对内电极27以任一种可移动的方式设置在压电本体周围。

上述图1～图4均是以圆柱形压电管为例，而本发明实施例中的压电管也可以为其他形状，比如方棒型压电管或其他多边形压电管。如图5，示意的即为将图1～4中的圆柱形压电管10替换为方棒型压电管12，同样，图5中，内电极21依附在方棒型压电管内侧，外电极22、23对称设置在壳体30内侧，壳体30可转动，或外电极22、23以可滑动的方式设置于所述壳体30内侧。在图5中，在方棒型压电管12外表面可以设置依附于外表面的外电极，也可以在方棒型压电管12外表面不设置依附于外表面的外电极。

图6为在本发明另一种方棒型压电结构的实施例，图6中压电本体由方棒型基板25和方棒四表面各设置的一压电片61组成，每片压电片与方棒型基板之间设置有内电极；所述压电驱动器只具有一对与压电片分离的外电极22、23，该对外电极(22、23)对称设置于封装所述压电本体的壳体30内侧；所述壳体30可转动，或与电极22、23以可滑动的方式对称设置于所述壳体30内侧。

另外，本发明实施例中的压电本体还可以为压电双晶片结构(双晶片结构上下表面任然附有电极)，在用于封装所述压电本体的壳体的内侧可对称设置有至少一对补偿电极，用于施加电压形成补偿电场；所述壳体可转动，或所述补偿电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。在另一种实施例中，可以在压电驱动器制作时，将双晶片的上、下电极去除(其中双晶片的上、下电极指：上晶片的上电极与下晶片的下电极)，在封装所述压电本体的壳体内侧对称设置一对外电极；所述壳体可转动，或所述与压电本体分离的上、下电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

在上述的所有实施例中，均要求分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围，那么，可以理解为本发明的压电驱动器还包括电极转动机构(附图未示意)，用于直接或间接带动与压电本体分离的电极转动。当分离电极以不可移动的方式固定于封装外壳内侧时，电极旋转机构通过带动封装壳体旋转即可实现间接带动分离电极选择；当分离电极采用可滑动方式固定于封装外壳内侧时，电极旋转机构刻直接带动电极在壳体内侧旋转，方式不限。

本发明实施例中的压电驱动器特别适用于光纤扫描中作为光纤扫描驱动器，因此，本发明还提出了一种光纤扫描模组，包括光纤和光纤扫描驱动器，所述光纤扫描驱动器即为本发明实施例所提出的压电驱动器。

由于本发明的压电驱动器的部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围，使得可以通过分离电极实现驱动力方向的改变。因此，分离电极可作为校正结构使用，在一种实施例中，可在光纤扫描模组内设置扫描轨迹监测模块，用于监测光纤扫描模扫描图像轨迹并发送监测数据至光纤扫描模组的处理器；所述处理器根据所述监测数据计算矫正参数，并指令所述电极转动机构根据所述校正参数带动所述与压电本体分离的电极转动。例如：在光纤扫描时，若发生非激励平面的响应引起的椭圆变形时，所述处理器分析所述监测数据，判定扫描图像轨迹为椭圆轨迹时，处理器根据椭圆长轴方向确定偏离角度并计算矫正参数，并指令所述电极转动机构根据所述校正参数带动外电极转动。更具体的，当驱动本体为圆柱形压电管时，根据椭圆长轴的方向，判定其偏离角度，同时使分离外电极相应旋转对应的角度，使驱动力与本征方向重合，即可将快轴的驱动轨迹矫正为直线。(参考High performance open loopcontrol of scanning with a small cylindrical cantilever beam，Journal of Soundand Vibration 330(2011)1762–1771中的理论，若驱动力的方向与本征方向重合，则不会产生椭圆的现象。)

本发明实施例还提出另一种光纤扫描模组，包括光纤和光纤扫描驱动器，光纤扫描驱动器为可以为图1或图5实施例所提供的压电驱动器，分离电极以较高频率旋转，配合驱动电压的变化，则可仅利用此一对电极实现二维的扫描，包括但不限于栅格式、利萨如、螺旋式等扫描方式，例如：当李萨如扫描时，电极旋转频率不低于两个方向驱动频率中较低的扫描频率进行旋转(数十千赫兹)，使驱动力在快慢轴方向来回切换，实现二维驱动功能；当作栅格式扫描时，电极旋转频率不低于帧频(数十赫兹或百赫兹级别)，使驱动力在快慢轴方向来回切换，实现二维驱动功能；当作螺旋扫描时，电极旋转频率不低于快轴的扫描频率进行旋转(数十千赫兹)，使驱动力在快慢轴方向来回切换，实现二维驱动功能。其他扫描模式可以参照类比。值得一提的是，单电极实现二维扫描驱动时，扫描器的感受到的不在是恒力，而是冲击力，将作冲激的衰减响应，每个周期提供一个冲击力(电极旋转提供)，以维持扫描器的幅度在目标值，配合冲击力的大小调节(通过驱动电压或磁力实现)，可以达到调整扫描幅度的目的。

基于上述压电类驱动器的同一思路，上述实施例中的光纤扫描驱动器的材料可不必须是压电类材料，也可以是可被磁力吸附的材料等，而电极则相应变为提供磁力的驱动极，在周期变化的磁力作用下，利用单极驱动实现扫描功能、或利用可变方向单极驱动实现轨迹补偿功能。

参见图7，图7为本发明实施例一种光纤扫描驱动器的结构示意图，本发明实施例的光纤扫描驱动器，包括：壳体31、驱动本体11和驱动极41、42，所述驱动本体11封装在所述壳体31内，所述驱动极41、42设置于所述壳体31内侧(驱动极可以为多对，数量不限，图7以1对驱动极示意)，驱动极优选以对称方式设置；所述壳体31可转动或所述驱动极41、42以可滑动的方式设置于所述壳体内侧，滑动方式同样可以采用导轨，具体参见前面压电类驱动器描述。该光纤扫描驱动器运用于光纤扫描模组时，驱动本体11一端固定在基座6上，另一端形成自由端，光纤5固定于所述驱动本体11上并沿所述驱动本体11的自由端延伸方向延伸形成悬臂。图7中，所述驱动本体11为磁吸体时，所述驱动极41、42为磁体；所述驱动本体11为压电类材料时，所述驱动极41、42为电极。当驱动本体11为磁吸体时，关于驱动极的设置方式，驱动极旋转机构、扫描模组的扫描轨迹检测模块等，均可套用压电类驱动器实施例中的描述，在此不赘述，区别仅在于驱动本体和驱动极材料选择不同，造成摆动原理不同，其他并无不同。

本发明实施例还提出一种投影设备，所述投影设备可以为本发明各实施例所提供的光纤扫描模组。

本发明提出可以将压电类驱动器的部分电极或全部电极与压电本体分离设置，达到驱动方向可调，可实现扫描器响应的补偿、灵活方便，可有效提升成像质量，另外，本发明提出的压电驱动器还可以实现一对电极实现多维扫描，给光纤扫描领域之后的研究提供一种全新的思路。同时，本发明还提出，可以将本发明思路拓展到电磁驱动器，将驱动极设置成可移动或转动，可实现同样的作用和效果。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (18)

1.一种压电驱动器，包括压电本体和电极，所述压电本体为极化后的压电材料，其特征在于：部分电极或全部电极与压电本体分离设置，且与压电本体分离设置的电极以可移动的方式设置在压电本体周围。

2.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电本体为压电管，所述电极包括内电极和外电极，内电极依附在压电管内侧，至少一对外电极与压电管分离。

3.如权利要求2所述 的压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器还包括用于封装所述压电管的壳体，与压电管分离的外电极设置在所述壳体内侧；所述壳体可转动，或所述与压电管分离的外电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

4.如权利要求3所述的压电驱动器，其特征在于，所述与压电管分离的外电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧的设置方式包括：在所壳体内壁上设置用于安装外电极的导轨，在导轨上对称设置所述至少一对可沿导轨滑动的外电极。

5.如权利要求3所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器包括两对外电极，一对外电极与压电管分离，一对外电极与压电管固定。

6.如权利要求3所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器只有一对外电极且该对外电极与压电管分离。

7.如权利要求2至6任一项所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电管为圆柱形压电管或方棒型压电管。

8.如权利要求7所述的压电驱动器，其特征在于，当所述压电管为圆柱形压电管时，所述与压电管分离的外电极是与压电管同心的弧形电极。

9.权利要求 8所述的压电驱动器，其特征在于，所述弧形电极的长度与扫描器有效长度一致。

10.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电本体为压电管，所述电极包括内电极和外电极，外电极依附在压电管外侧，至少一对内电极与压电管分离。

11.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电本体为压电双晶片结构，双晶片的上、下电极与压电本体分离；与压电本体分离的上、下电极对称设置于封装所述压电本体的壳体内侧；所述壳体可转动，或所述与压电本体分离的上、下电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

12.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电本体为压电双晶片结构，所述压电驱动器还包括用于封装所述压电本体的壳体，在所述壳体内侧对称设置有至少一对补偿电极；所述壳体可转动，或所述补偿电极以可滑动的方式设置于所述壳体内侧。

13.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电本体由方棒型基板和方棒四表面各设置的一压电片组成，每片压电片与方棒型基板之间设置有内电极；所述压电驱动器只具有一对与压电片分离的外电极，该对外电极对称设置于封装所述压电本体的壳体内侧；所述壳体可转动，或与所述压电本体分离的电极对以可滑动的方式对称设置于所述壳体内侧。

14.如权利要求1至12任一项所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器还包括电极转动机构，用于带动与压电本体分离的电极转动。

15.一种光纤扫描模组，包括光纤和光纤扫描驱动器，其特征在于，所述光纤扫描驱动器为权利要求14所述的压电驱动器。

16.如权利要求15所述的光纤扫描模组，其特征在于，所述光纤扫描模组还包括扫描轨迹监测模块，用于监测扫描图像轨迹并发送监测数据至光纤扫描模组的处理器；所述处理器根据所述监测数据计算矫正参数，并指令所述电极转动机构根据所述矫正参数带动所述与压电本体分离的电极转动。

17.一种光纤扫描模组，包括光纤和光纤扫描驱动器，其特征在于，所述光纤扫描驱动器为权利要求6或13所述的压电驱动器；所述压电驱动器还包括电极转动机构，用于带动与压电本体分离的电极高频旋转，配合所述压电驱动器的驱动电压变化，实现一对电极二维扫描。

18.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括如权利要求15至17任一项所述的光纤扫描模组。

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