CN114967112A - 一种压电振动扫描装置、控制方法及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电振动扫描装置及控制方法，压电振动扫描装置为四个均布在底座上的压电层叠陶瓷，通过一个定位块连接一段光纤，整个结构呈悬臂状。本发明利用共振放大原理，通过激励出封装光纤的毛细金属管或无封装光纤的弯曲振动模态，毛细金属管或光纤的自由端产生较大的横向位移，从而构成大范围扫描。通过给压电层叠陶瓷施加不同形式的驱动信号，可以实现多种方式的扫描。本发明制作的压电振动扫描装置体积小巧、扫描速度快、扫描重复性好，同时具有驱动电压低、能量转换效率高的特点。这些优势让其在光学精密仪器和临床内窥术等领域的投影、加工、照明、图像信号采集和治疗等装置上具有良好的应用前景。

Description

一种压电振动扫描装置、控制方法及分析方法

技术领域

本发明属于光学扫描技术领域，具体涉及一种压电振动扫描装置及控制方法。

背景技术

基于压电振动扫描装置的仪器在光学精密工程、工业探伤、位移传感、医疗影像等领域有重要应用，快速而精准的光学扫描是此类领域中一个迫切需求。对于快速、精准的扫描技术，合适的扫描机制非常重要。常用的扫描装置包括光学偏振镜、四分区压电扫描管、双晶片、微型电机和微光机电系统等。这些扫描装置对应了不同的扫描机制。通常，振镜扫描系统体积较大，不易于小型化。微型旋转电机只能进行侧向扫描。微光机电系统工艺复杂、制造成本高。利用压电振动的扫描装置结构简单、电磁辐射弱、无摩擦损耗，因此获得广泛关注。现有的压电扫描装置主要选用四分区压电扫描管或压电双晶片进行激励，这两者的驱动电压都比较高(通常达到数百伏)。并且四分区压电扫描管需要四路驱动信号，对驱动电路有更高要求。而压电双晶片只能进行一维的振动扫描。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提出一种压电振动扫描装置，具有体积小巧、扫描速度快、扫描重复性好，而且具有驱动电压低、能量转换效率高的特点。本发明提出压电振动扫描装置的驱动方法，提供一种电压驱动控制的方法，只需要两路信号，能可靠地实现多种方式的二维扫描。

技术方案：

本发明提供的压电振动扫描装置可采用以下技术方案。

一种压电振动扫描装置，包括：底座、四个压电层叠陶瓷、定位块、光纤，四个压电层叠陶瓷底端固定在底座与定位块之间，且四个压电层叠陶瓷呈90°环形对称均布，定位块的中心轴处有一个通孔，光纤的两端穿过通孔；所述底座、四个压电层叠陶瓷、定位块均为沿通孔轴线形成中心对称结构；光纤作为振动扫描部件。

进一步的，所述压电层叠陶瓷的极化方向与通孔轴向平行，且呈180°相对的两个压电层叠陶瓷极化方向相反。

进一步的，还包括用以收容光纤的毛细金属管，所述毛细金属管的一端插设于定位块的通孔内。

进一步的，根据不同的扫描频率选择不同尺寸的毛细金属管或光纤。

进一步的，所述定位块为圆台结构，且该圆台结构横截面大一端的端面与四个压电层叠陶瓷相接。

有益效果：本发明利用压电层叠陶瓷，激励出封装光纤的毛细金属管或无封装的光纤的弯曲振动模态，使得毛细金属管或光纤自由端产生较大的横向位移。并且通过控制驱动信号，能够根据不同需要实现多种方式的扫描。这些优势让其在光学精密仪器及临床内窥术等领域的投影、加工、照明、图像信号采集和治疗等装置上具有良好的应用前景。

本发明还提供上述压电振动扫描装置的控制方法，可采用以下技术方案：

所述压电层叠陶瓷驱动电路输出两路驱动信号，分别施加在两组相对的压电层叠陶瓷上。

进一步的，所述两路驱动信号为两个频率相等、有90度相位差的三角波幅度调制的正弦波、两个频率不相等的正弦波或者两个频率相等的幅度调制的正弦波、且调制信号分别为正弦波和余弦波；

当所述两路驱动信号为两个频率相等、有90度相位差的三角波幅度调制的正弦波时，进行螺旋扫描；

当所述两路驱动信号为两个频率不相等的正弦波时，进行利萨茹扫描；

当所述两路驱动信号为两个频率相等的幅度调制的正弦波、且调制信号分别为正弦波和余弦波时，进行螺旋桨扫描。

本发明所述的一种压电振动扫描装置的控制方法，具有如下有益效果：

一、压电层叠陶瓷本身的位移在相同电压信号条件下，较普通的压电陶瓷和压电扫描管更大，也即，产生相同位移所需要的电压更小。

二、只需要两路驱动信号，分别施加在两组相对的压电层叠陶瓷上，分别激励水平和垂直两个方向的扫描，就能实现快速二维扫描。由于所述压电层叠陶瓷极化方向垂直于顶端所在平面，且相对的压电层叠陶瓷的极化方向相反。对一组相对的压电层叠陶瓷施加同一个信号，从产生的位移效果看，该信号加载的电压方向与一个压电层叠陶瓷极化方向相同，与相对的另一个极化方向相反，从而导致一个伸长，另一个缩短。即，一路信号就可以驱动相对的两个压电层叠陶瓷。

三、适用于产生螺旋、利萨茹、螺旋桨扫描等不同的扫描模式。可以利用正弦波与三角波叠加的信号实现螺旋扫描；两相频率不相等的正弦信号驱动实现利萨茹扫描；调制信号分别为正弦和余弦的幅度调制正弦波实现螺旋桨扫描。

进一步的，本发明所述一种压电振动扫描装置的分析方法，具体步骤包括：

一、创建几何模型及有限元模型

(1)在ANSYS软件中按照实际的尺寸建立相应的几何模型；

(2)根据材料的特性设置属性参数，包括底座、定位块的弹性模量、泊松比和密度，以及压电材料的密度、弹性矩阵、压电矩阵、介电常数；

(3)采用自由划分方式进行网格划分；

二、设置边界条件和电压约束，进行模态及瞬态动力学分析；

三、结果分析：采用模态分析确定扫描频率，采用瞬态动力学分析确定一定阻尼系数下扫描的轨迹及范围，通过不同结构的分析对比，可以选取最优结构。

本发明所述的一种压电振动扫描装置的分析方法，具有如下有益效果：

一、完整地模拟了系统的共振模态及对应的频率。对于不同的扫描需求，可以模拟得到所需的扫描频率；

二、完整地模拟了系统的控制-响应特性。对于分析对象，施加相应的驱动信号即可以得到相对应的动力学特性，包括扫描的幅度、扫描的频率、扫描的轨迹等。该方法能很好地模拟出整个过程的动力学响应特性及机电耦合关系；

三、适用范围广。可以根据实际需求设定相应的参数，各种参数可以作为命令的值域。参数改变后，重新执行命令即可得到相应的处理。

附图说明

图1为一种压电振动扫描装置三维结构示意图；

图2为一种压电振动扫描装置侧视图；

图3为一种压电振动扫描装置侧剖图；

图4为一种压电振动扫描装置端面图；

图5为一种压电振动扫描装置网格划分图；

图6为一种压电振动扫描装置极化方向图；

图7为一种压电振动扫描装置模态分析结果图；

图8为一种压电振动扫描装置末端中心频幅响应图；

图9为一种压电振动扫描装置的扫描频率调节方法；

图10为产生螺旋扫描驱动信号形式示意图；

图11为产生螺旋扫描轨迹示意图；

图12为产生利萨茹扫描驱动信号形式示意图；

图13为产生利萨茹扫描轨迹示意图；

图14为产生螺旋桨扫描驱动信号形式示意图；

图15为产生螺旋桨扫描轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围：

实施例1：一种压电振动扫描装置

如图1、2、3、4所示，压电振动扫描装置包括底座1、压电层叠陶瓷2、定位块(圆台结构)3、毛细金属管4、光纤5。利用环氧树脂胶将四个压电层叠陶瓷底端粘在底座上并呈90°环形对称均布，如图4所示，定位块3粘于压电层叠陶瓷2顶端，毛细金属管4穿过定位块3的通孔中心并延伸一定长度，光纤5 穿过底座1及定位块3并粘贴在毛细金属管4中心位置。所述四个压电层叠陶瓷为压电层叠共烧陶瓷、压电层叠堆栈或压电叠堆陶瓷。

所述压电层叠陶瓷2的极化方向与通孔轴向平行，且呈180°相对的两个压电层叠陶瓷极化方向相反。所述底座1、四个压电层叠陶瓷2、定位块3、毛细金属管4均为沿通孔轴线形成中心对称结构，且整个结构呈悬臂梁状。

在该实施例1中，毛细金属管4也可以不设置，而直接采用没有封装的光纤 5直接穿过底座1及定位块3。所述封装光纤的毛细金属管和没有封装的光纤都可以作为穿过定位块3的振动扫描部件。所述封装光纤的毛细金属管中的光纤和没有封装的光纤为单模光纤、多模光纤和特种光纤。

实施例2：一种压电振动扫描装置的有限元分析

如图5、6、7、8所示，采用有限单元法对压电振动扫描装置进行机电耦合场下动力学分析，分析结果能够预测相关性能并能指导设计。其中按照压电层叠陶瓷的性质可以如图6所示划分，将压电层叠陶瓷平均分成17份且每份的厚度为0.1mm。如图6所示，在相对的两个压电层叠陶瓷2-1、2-3中，压电层叠陶瓷2-1中相邻压电层叠陶瓷极化方向相反，而相对的另一个压电层叠陶瓷2-3 极化方向与该压电层叠陶瓷相反，另一对压电层叠陶瓷2-2、2-4也是如此。其中，深色代表压电层叠陶瓷沿着图6中Z轴正方向极化，浅色代表压电层叠陶瓷沿着图6中Z轴负方向极化。

本实例实现的压电振动扫描装置有限元分析包括：

模态分析：分析扫描装置的固有频率，根据实际所需扫描频率，确定器件尺寸参数。

谐响应分析：获取各个频率下正弦波驱动信号下扫描的幅值。根据不同需求，确定所需施加的信号的频率范围。

瞬态分析：可以确定结构在承受任意随时间变化载荷及各种组合驱动信号下对应的位移响应。例如，可以计算出如螺旋扫描、利萨茹扫描、螺旋桨扫描模式下的动力学响应特性及扫描范围。

本实施例取压电层叠陶瓷尺寸为1.2mm×1.2mm×1.7mm(每层厚度为0.1 mm)；底座为5mm×5mm×3mm；定位块为顶面直径2mm，底面直径5mm，高度为3mm的圆台；外径1mm，内径0.7mm，长50mm的毛细金属管，由于光纤质量、直径较毛细金属管过小，因此本实例忽略了光纤对毛细金属管的影响进而直接采用毛细金属管直接进行分析。

底座、定位块采用铝合金材料，毛细金属管为304不锈钢材料。

取质量阻尼系数为6.8；刚度阻尼系数为6.66E-6.

由动力学分析结果可知(图7和图8)，该结构的一阶弯曲振动频率为337Hz；驱动电压在100Vp-p时，钢管前端中心位移为1.97mm。

实施例3：一种压电振动扫描装置的扫描频率调节

如图9所示，振动扫描装置根据不同的扫描频率要求可以采用底座1、压电层叠陶瓷2、定位块3、毛细金属管4、光纤5的组合形式这样得到的扫描频率较低。同时也可以采取底座1、压电层叠陶瓷2、定位块3、光纤5的组合形式，直接将定位块3与光纤5连接固定。使用光纤作为振动扫描部件，可以实现更高频率的扫描。

实施例4：一种压电振动扫描装置的电压驱动控制

如图10、11所示，振动扫描装置采用两路信号驱动。驱动信号采用两路相位差为90°的三角波幅度调制的正弦波，这时为螺旋扫描模式。信号的频率对应扫描装置的一阶弯曲振动固有频率，三角波的频率同时也为扫描的帧速率。

如图11、12所示，如果压电层叠陶瓷在两个方向上进行不同频率的简谐振动，则扫描轨迹为利萨茹图案。此种模式下，对频率的敏感度较高，在驱动频率偏离固有频率时，随着偏离程度增大振幅迅速减小。如果偏离程度较小，可以得到较大振幅，且两轴只需要较小的频率差即可得到利萨茹扫描轨迹。

如图13、14所示，当驱动信号为频率相等的两路幅度调制正弦波，且幅度调制信号分别为正弦波和余弦波时，可进行螺旋桨扫描。这种扫描方式的相位数据充填方式是螺旋桨式数据充填。这种填充模式以一定厚度的“叶片”采用旋转的方式充填空间的数据。“叶片”的宽度即一次扫描的相位数。在空间充填时每次采集数据“叶片”的中心点位置是固定的，然后顺一个方向旋转，在空间的边缘部分旋转的叶片顺序连接，形成一个完整的圆形，完成一次空间的充填。当“叶片”旋转一周，中心部分会因重叠式充填，使得其扫描的次数明显多于边缘部分。

本发明提供的压电振动扫描装置利用共振放大原理，激励出封装光纤的毛细金属管或无封装的光纤的弯曲振动模态，使得毛细金属管或光纤自由端产生较大的横向位移。本发明制作的压电振动扫描装置不但体积小巧、扫描速度快、扫描重复性好，而且具有驱动电压低、能量转换效率高的特点。这些优势让其在光学精密仪器和临床内窥镜术等领域的投影、加工、照明、图像信号采集和治疗等装置上具有良好的应用前景。

Claims (8)

1.一种压电振动扫描装置，其特征在于：包括：底座、四个压电层叠陶瓷、定位块、光纤，四个压电层叠陶瓷底端固定在底座与定位块之间，且四个压电层叠陶瓷呈90°环形对称均布，定位块的中心轴处有一个通孔，光纤的两端穿过通孔；所述底座、四个压电层叠陶瓷、定位块均为沿通孔轴线形成中心对称结构；光纤作为振动扫描部件。

2.根据权利要求1所述的压电振动扫描装置，其特征在于：所述压电层叠陶瓷的极化方向与通孔轴向平行，且呈180°相对的两个压电层叠陶瓷极化方向相反。

3.根据权利要求2所述的压电振动扫描装置，其特征在于：还包括用以收容光纤的毛细金属管，所述毛细金属管的一端插设于定位块的通孔内。

4.根据权利要求3所述的压电振动扫描装置，其特征在于：根据不同的扫描频率选择不同尺寸的毛细金属管或光纤。

5.根据权利要求1所述的压电振动扫描装置，其特征在于：所述定位块为圆台结构，且该圆台结构横截面大一端的端面与四个压电层叠陶瓷相接。

6.一种根据权利要求1至5所述的压电振动扫描装置的控制方法，其特征在于：所述压电层叠陶瓷驱动电路输出两路驱动信号，分别施加在两组相对的压电层叠陶瓷上。

7.根据权利要求6所述的压电振动扫描装置的控制方法，其特征在于：所述两路驱动信号为两个频率相等、有90度相位差的三角波幅度调制的正弦波、两个频率不相等的正弦波或者两个频率相等的幅度调制的正弦波、且调制信号分别为正弦波和余弦波；

当所述两路驱动信号为两个频率相等、有90度相位差的三角波幅度调制的正弦波时，进行螺旋扫描；

当所述两路驱动信号为两个频率不相等的正弦波时，进行利萨茹扫描；

当所述两路驱动信号为两个频率相等的幅度调制的正弦波、且调制信号分别为正弦波和余弦波时，进行螺旋桨扫描。

8.一种根据权利要求1至5所述的压电振动扫描装置的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、创建几何模型及有限元模型

(1)在ANSYS软件中按照实际的尺寸建立相应的几何模型；

(2)根据材料的特性设置属性参数，包括底座、定位块的弹性模量、泊松比和密度，以及压电材料的密度、弹性矩阵、压电矩阵、介电常数；

(3)采用自由划分方式进行网格划分；

二、设置边界条件和电压约束，进行模态及瞬态动力学分析；

三、结果分析：采用模态分析确定扫描频率，采用瞬态动力学分析确定一定阻尼系数下扫描的轨迹及范围，通过不同结构的分析对比，可以选取最优结构。

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