CN116582024A - 一种压电致动器、扫描显示模组及投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种压电致动器、扫描显示模组及投影设备，用以提升扫描器件的性能。所述压电致动器包括压电部以及布设在所述压电部上的驱动电极，所述压电部为极化后的压电材料；所述驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的电极所形成的电场的方向相反，驱动电极形成的电场分布符合压电部在设定频率下振动应变特征，使得所述压电部发生振动时的振动应变特征与所述电场产生的应变趋势相同，避免电压在压电部振动过程中做负功，从而提升光纤扫描器件的性能，降低控制难度，达到更好的扫描显示效果。

Description

一种压电致动器、扫描显示模组及投影设备

技术领域

本申请涉及显示技术领域，具体涉及一种压电致动器、扫描显示模组及投影设备。

背景技术

激光扫描显示，作为一种新兴的显示成像技术，可由微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)扫描镜、光纤扫描器(FiberScanner)等扫描器件实现扫描显示。该技术可以应用于投影显示、近眼显示等多种显示场景。

对于光纤扫描器而言，实际扫描显示过程中，光纤扫描器件将处于两种频率叠加的二维振动状态，从而成为一种复杂的振动系统，为了达到更好的显示效果，需要进一步提升光纤扫描器件的性能。

发明内容

本申请提供一种压电致动器、扫描显示模组及投影设备，用以提升扫描器件的性能。

为了实现上述发明目的，本申请实施例第一方面提供一种压电致动器，所述压电致动器包括压电部以及布设在所述压电部上的驱动电极，所述压电部为极化后的压电材料；所述驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的驱动电极所形成的电场的方向相反。

可选的，所述压电部包含至少一处在设定频率下的振型节点，所述振型节点将所述驱动电极分隔为多个区段。

可选的，部分或全部所述振型节点上不设置驱动电极。

可选的，所述压电部为压电晶片结构；所述驱动电极包括上电极和下电极，布设在所述压电晶片结构的上表面和下表面；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的上电极和下电极所形成的电场的方向相反。

可选的，所述压电部为压电管；所述驱动电极包括内电极和外电极，布设在所述压电管的内表面和外表面；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的内电极和外电极所形成的电场的方向相反。

可选的，所述振型节点将所述压电部分隔为两个区段时，所述两个区段上的电极所形成的电场的方向相反；所述振型节点将所述压电部分隔为三个以上区段时，部分或全部相邻区段上的电极所形成的电场的方向相反。

可选的，其中一个区段用于布设反馈电极；在所述压电致动器处于工作状态时，所述反馈电极用于检测所述压电部的形变所产生的电信号。

可选的，所述反馈电极所在的区段位于所述压电部的中部位置，远离所述压电部的固定端和自由端。

本申请实施例第二方面提供一种扫描显示模组，包括如第一方面所述的压电致动器，光纤，光源和控制电路；所述光源输出的图像光从所述光纤的一端耦入，所述光纤另一端固定在所述压电致动器上；在所述控制电路的控制下，所述光源输出的图像光由所述压电致动器带动光纤进行扫描显示。

本申请实施例第三方面提供一种投影设备，所述投影设备包括一组或多组如第二方面所述的扫描显示模组。

本申请实施例的方案中，所述压电部包含至少一处在设定频率下的振型节点，所述振型节点将所述压电部上的驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段上的电极所形成的电场的方向相反，驱动电极形成的电场分布符合致动部在设定频率下的振动应变特征，使得所述压电部发生振动时的振动应变特征与所述电场产生的应变趋势相同，避免电压在压电部振动过程中做负功，从而降低功耗，减小非线性，提升光纤扫描器件的性能，降低控制难度，达到更好的扫描显示效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例提供的一种示例性的光纤扫描器的结构示意图；

图2a是本申请实施例提供的致动部111的上表面沿轴向的截面结构示意图；

图2b是本申请实施例提供的致动器11在Y轴方向的形变的示意图；

图3是本申请实施例提供的快轴致动部的振型曲线的示意图；

图4是本申请实施例提供的弯曲振动的悬臂梁的振动应变特征的示意图；

图5是本申请实施例提供的致动部的正激励区域和负激励区域的示意图；

图6是本申请实施例提供的片状扫描致动器的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的片状扫描致动器的电极排布示意图；

图8是本申请实施例提供的圆管型扫描致动器的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的压电双晶片的电极排布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

参考图1，示出了本申请实施例中一种示例性的光纤扫描器10，包括：致动器11及光纤12。通常，致动器11也可称为扫描致动器，可基于压电材料，如，压电陶瓷(PZT)实现致动。在图1的示例中，致动器11整体呈圆柱形，具体结构为圆管，管壁可采用压电材料，管内可使用填充材料(如：树脂类材料)进行填充用以固定光纤12。光纤12沿致动器11的长度轴方向贯穿于致动器11并在致动器11的前端延伸，形成悬臂式结构，即，光纤悬臂121。当然，在一些实施方式中，光纤12可粘接于致动器11表面并在致动器11的前端延伸形成光纤悬臂，而非贯穿式的(此时，管内可以不使用填充材料)。在本申请的其它实施例中，光纤的设置方式同样可以采用贯穿式的或非贯穿式的，并不应理解为对本申请的限制。圆管状的致动器11内外壁表面设有电极(向电极传输电信号的导线或印刷电路并未在图中示出)，在电极作用下，压电材料所构成的管壁产生基于逆压电效应的致动力，致动器11便可带动光纤12进行二维扫动。其致动原理将在后续内容进行阐述。

致动器11按照从后向前的方向依次包括第一致动部111及第二致动部112，对于处于工作状态的致动器11而言，第一致动部111在第一方向(即图1中参考坐标系的Y轴方向)以第一频率振动，第二致动部112在第二方向(即图1中参考坐标系的X轴方向)以第二频率振动。对于不同的扫描方式而言，第一频率和第二频率可能是相同或相近的(如：螺旋式扫描)，也可能存在或大或小的差异(如：栅格式扫描、利萨茹式扫描)。在第一致动部111和第二致动部112所产生的振动的协同作用下，带动光纤悬臂121按照相应的轨迹扫动。因此，第一致动部111和第二致动部112也可看作是光纤扫描器的两个扫描轴。对于两个频率存在差异的情况，在本申请的实施例中，第一频率通常小于第二频率，故在一些示例中，第一致动部也可称为慢轴致动部，第二致动部也可称为快轴致动部。

另外，在本申请的实施例中，对于致动器而言，当致动器一端固定时，从固定位置至自由端的部分也可以称为悬臂梁。

当然，光纤扫描器10还可以包括封装壳体、镜头、固定支撑结构等，并且，实际工作时上述光纤扫描器10还需要与其他元器件配合，如：光源、驱动电路等，以便实现扫描显示。

应理解，图1所示的光纤扫描器10中的致动器11的形状是示例性的，在其它实施例中，致动器11整体形状并不限制于图1中所示的圆柱形，还可以呈方柱形(具体结构可为方管或方棒)、三角柱形(具体结构可为三角管或三角棒)、片状等。尺寸及比例也是不限于图1所示。本申请实施例中所示出的结构类附图是为了便于理解本方案，并不构成对本申请的限定。

对于本申请中的压电材料的致动器而言，可以利用逆压电效应实现d31模式的形变，从而形成弯矩达到弯曲振动目的。为了清楚说明压电材料构成的致动部的振动方式及原理，参考图2a，示出了上述图1中致动器11的第一致动部111的上表面沿轴向的截面结构，并在此进行了适当简化，在图2a中，该截面结构包含压电材料构成的管壁140及设置于管壁140内外表面的电极141(其中包括外电极141a和内电极141b)，管壁140经过预先极化，当电极141之间施加的外加电场与管壁140的极化方向一致时，基于逆压电效应，管壁140沿图2a中的Z轴方向伸长。在外加电场与管壁140的极化方向相反时，管壁140沿图2a中的Z轴方向收缩。管壁140产生的伸长、缩短的形变，体现在整体圆管结构上将分别产生沿轴向的等效拉、压应力，进一步可使得第一致动部111带动致动器11整体实现在Y轴方向的形变，如图2b所示。对于第二致动部112而言，其致动原理相类似，故在此不进行赘述。

压电悬臂梁、管等形式的扫描驱动器，体积小，稳定，性能优良，是FSD(FiberScanningDisplay，光纤扫描器)驱动器的首选。压电悬臂梁如压电单晶片、双晶片、三晶片或其他结构形式的变种，主要原理利用逆压电效应实现压电材料的伸长，致动器结构在轴向等效拉应力、压应力作用形成的弯矩下，实现竖直方向的弯曲振动。

需要说明的是，对于构成光纤扫描器的致动器而言，若要实现显示，通常是利用致动器的固有频率实现共振，在本申请实施例中，无论第一致动部还是第二致动部，都可以基于一个或多个属性而具有固有频率，一般性的，固有频率是器件内在的频率特性，一些示例中，固有频率和谐振频率(或共振频率)是等同的。所述的一个或多个属性包括但不限于：材料、杨氏模量、截面二次距、密度、截面积、长度和/或模式常数等。通常，两个致动部的固有频率是不同的。还需要说明的是，本申请中致动器中的各个致动部的固有频率并不仅仅只有一个频率点，而是具有一系列按照一定规律分布的多个频率点，即，存在多个阶次(Order)。在实际应用中，第一致动部或是第二致动部都利用相应的某阶谐振频率实现振动。

申请人发现，上述致动器在振动过程中，其动态形变表现为出现对应的振型。所述的振型，可认为是致动器处于振动状态时，整体扫描致动器各部分由于不同振动或位移状态体现出来的瞬时结构形态。参考图3，这里以扫描致动器的快轴致动部在不同阶次下对应的振型为例进行说明(当然，慢轴致动部的振型与此类似，便不再单独举例说明)，其中使用曲线的方式来表征其振型，该曲线也可称为快轴致动部的振型曲线。图3中采用不同颜色所示出的4种曲线的线型(ModeShape)，也就对应了4种振型。

从图3中可见，各条振型曲线上的不同位置有高低起伏的线型，表征快轴致动部在振动过程中形变的幅度，其中，位移始终为零或基本为零的位置在本申请中可称为“振型节点”或“节点”，一阶振型有一个节点在固定端，即扫描器根部位置，悬臂梁上无节点，相应的，2阶振型在悬臂上有1个节点，3阶振型在悬臂上有2个节点，依次类推。本申请实施例中，2阶振型以上称为高阶振型，在工作频率处扫描器的实际振型更接近高阶特征，即具备至少一个节点，本申请实施例中，高阶振型的节点通常不包含约束位置(即根部位置)。当然，在实际应用中，振型曲线上的节点对应到实际的致动器结构上时，并不一定是一个点位，部分情况下可以体现为致动器结构上的一段尺寸较小的区段。

目前，对于压电材料轴形式的扫描致动器而言，通常出于生产制造的便捷性，压电材料的极化方向一致，且电极通常均匀布置于压电材料整体表面，或者在部分表面上连续设置。

然而，当致动器在不同的频率下振动时，沿轴向，致动部表面的拉压应力情况并不完全一致，而是基于不同的频率呈现变化的特点，显然，采用均布的常规电极排布形式，则将引起冲突。

如图4所示，是弯曲振动的悬臂梁的一段，此处，为了方便描述，假设中间的虚线将悬臂梁划分为左半部分和右半部分，左半部分的振型上凸，右半部分的振型上凹，左半部分和右半部分的振型呈现相反的应变特征，实线箭头表示弯曲振动的悬臂梁的实际振型呈现出的应变特征，虚线箭头表示电压作用下的应变趋势。

由图4可以看出，在左半部分，悬臂梁上表面拉伸变形，下表面压缩变形；右半部分则刚好相反，悬臂梁上表面压缩变形，下表面拉伸变形。同时，在电压作用下，左半部分和右半部分的上表面，都将产生拉伸的应变趋势，下表面都将产生压缩的应变趋势，可见该段结构左半部分，电压激励体现正的作用，致动部的振动应变特征和电压作用下预期的应变趋势一致；而右半部分则正好相反，电压激励体现负的作用，其振动应变特征和电压作用下预期的应变趋势相反，即电压做了负功。本说明书中，将电压作用下的应变趋势与真实的振动应变特征相同的区域称为正激励区域，将电压作用下的应变趋势与真实的振动应变特征相反的区域称为负激励区域。

一方面，在致动器的某些位置上，电压激励做负功，使功耗增加；另一方面，振动应变特征和逆压电效应下预期的应变趋势相反，会增大致动器动态下的非线性，进一步导致对致动器乃至光纤的轨迹控制难度增大，用作图像显示时，图像将恶化，稳定性降低，加速器件老化可能；此外，压电材料物理参数、特性发生变化，呈现差异，使悬臂梁不再是均质梁，导致模态非线性增加，影响图像效果，同时可能导致失稳、降低疲劳特性等。

基于以上分析，本申请实施例提出一种优化的电极排布方案，结合图5对本申请实施例中的电极排布方案的原理进行说明，图5对压电部的瞬时结构形态进行了适当简化。考虑到真实系统的非线性，难以精确的定位振型的凹凸变换点，本申请实施例中，可以近似的以节点位置当作区分点，进行电极排布。

本申请实施例中，每个振型节点两侧的压电部具有相反的应变特征，也就是说，分布在节点两侧的两个致动部区域分别为正激励区域和负激励区域。

如图5所示，致动部上的正激励区域用实线填充表示，致动部上的负激励区域用虚线填充表示，本申请实施例中，按照电压激励的正负作用，即基于振动应变特征和电压作用下的应变趋势之间的关系排布相反的驱动电极，即电极的极性相反。换言之，在实线区域和相邻虚线区域需要排布相反的驱动电极，例如：最左侧的第一段实线区域示意的致动部的上表面排布正电极，下表面排布负电极；同时，与第一段实线区域相邻的第一段虚线区域示意的致动部的上表面排布负电极，下表面排布负电极；第二段实线区域示意的致动部的上表面排布正电极，下表面排布负电极，以此类推。在一些实施例中，致动部上的所有区域都可以排布相反的电极，也可以至少部分区域排布相反的电极。

接下来，结合具体的扫描致动器形态，对本申请实施例中的扫描致动器电极排布方式进行说明。

参考图6，示出了本申请实施例中的一种双晶片结构的片状扫描致动器60。扫描致动器60按照从后向前的方向依次包括第一压电部61和第二压电部62。本申请实施例中，以布设在第一压电部上的第一电极610为例进行说明。第一电极610基于第一压电部61的振动应变特征设置，振动应变特征的原理在上述实施例中已经进行说明，在此不再详述。

本申请实施例中，以第一压电部61的振动模态对应于4阶振型曲线为例进行说明。基于此，图7以第一压电部61的压电晶片的长度轴方向的截面视角，示出了在第一压电部61上的电极排布情况，图8为第一压电部61的压电晶片的斜视图。从图7和图8可以看出，第一电极610按照分段的方式设置于第一压电部61的外表面，包括4对驱动电极。

如图7所示，在4阶频率下，第一压电部61上分布有3个节点612、614，616，将第一压电部61分为4个区段611、613、615、617，在区段611的上表面设置上电极611a，在区段611的下表面设置有下电极611b；在区段613的上表面设置有下电极613a，在区段613的下表面设置有上电极613b；在区段615的上表面设置有上电极615a，在区段615的下表面设置有下电极615b；在区段617的上表面设置有下电极617a，在区段617的下表面设置有上电极617b；节点所在区段612、614、616的表面不设置电极，在压电致动器处于工作状态时，假设各上电极接正信号，各下电极接负信号，则各个区段的电极所形成的电场的方向，如图9所示。可见，将相反电极以分段的方式设置在第一压电部61的表面，可以使得所述压电部发生振动时的应变特征与所述电场产生的应变趋势相同，避免电压在压电部振动过程中做负功。

本申请实施例中，第二压电部62上的第二电极可基于第二压电部62的振动应变特征设置，设置原理和第一压电部61上的第一电极610类似，本申请实施例不再重复说明。

本申请实施例中，对于栅格式扫描而言，由于慢轴致动部和快轴致动部的工作频率具有较大差异，快轴致动部的第二频率远高于慢轴致动部的第一频率，而对于李萨如扫描或螺旋式扫描而言，第一致动部和第二致动部的工作频率差异较小。一般来讲，在高阶频率的驱动下，致动器的振型具有较多的节点；在低阶频率的驱动下，致动器的振型具有较少的节点。本申请实施例中的第一致动部的节点数量仅是为了举例说明，不应理解为对两个致动部的节点数量关系的限制。

本申请实施例中，除片状扫描致动器外，管状致动器(包括圆管、方管或其他多边形压电管)的内电极、外电极的排布方式同样适用于本申请实施例中电极排布方式。同样，方棒致动器也适用于本申请实施例中电极排布方式，方棒致动器的压电部由方棒型基板和方棒四表面各设置的一压电片组成。应理解，本申请实施例中的致动器形态仅是举例说明，并不对致动器的具体形态进行限制。

另外，由于光纤扫描图像显示对系统稳定性的要求，需要对的光扫描轨迹进行检测和矫正，则按振型节点分割的区段中，至少一个区段可以用作压电自反馈的电极排布，通过反馈电极检测压电部的形变所产生的电信号，相邻区段可以同时布置相反的电极排布实现反馈；在靠近致动部的根部位置(即固定端)，振动应变较小，但信号抗干扰能力强，稳定；靠近致动部的自由端应变大，信号强，但信号稳定性较差；本申请实施例中，考虑到信号的稳定性与强度，可以选择靠近结构中间的区段进行反馈电极的排布。

对于扫描致动器而言，如上述实施例中所述，扫描致动器基于一个或多个属性而具有固有频率，固有频率是器件内在的频率特性，本申请实施例中，致动器的各个致动部的固有频率并不仅仅只有一个频率点，而是具有一系列按照一定规律分布的多个阶次的频率点,对于致动器的各个阶次的频率点，可基于相应的一个或多个属性通过诸如仿真、理论计算等方式确定。当然，具体的仿真、计算过程这里并不展开描述。

对于扫描致动器的振型而言，扫描致动器在设定的频率下振动时，可以通过仪器检测或模拟仿真得到致动器的振型，假设致动器的驱动电极是基于某频率下的振动应变特征设置的，则当所述致动器以该频率作为驱动频率工作时，其工作时的实际振型符合该频率下的振型曲线特征。

本申请实施例中，基于前述的压电致动器，还提供了一种扫描显示模组，包括：压电致动器、光纤、光源以及控制电路。其中，控制电路，可以采用图形处理器(GraphicsProcessingUnit，GPU)、中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)或者其它具有控制功能、图像处理功能的芯片、电路或两者的组合，这里并不进行具体限定。

光源可以包含多个单色激光器，例如：采用红(Red，R)、绿(Green，G)、蓝(Blue，B)三色激光器，分别发出不同颜色的光束。光源中各激光器发出的光束经耦入光纤中，通过控制电路控制压电致动器进行扫动，从而将光纤中传输的图像光束扫描输出，在每个像素点位置形成具有相应图像信息(如：颜色、灰度或亮度)的光斑。在一帧的时间里，光束以足够快的速度遍历每一像素点位置完成一帧图像的扫描，由于人眼观察事物存在“视觉残留”的特点，故人眼便无法察觉光束在每一像素点位置上的移动，而是看见一帧完整的图像。

需要说明的是，上述实施例是以扫描器件为光纤扫描器的场景为例说明了相应的电极排布方式，而对于其他形式的扫描器件，如微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)扫描镜，其通过二维振镜(同样具备两个扫描轴)实现激光束的偏转(栅格式扫描轨迹或利萨茹式扫描轨迹)，本申请中记载的电极排布方式同样适用于此类扫描器件。

本申请实施例中，扫描显示模组可广泛用于头戴式AR(英文全称：AugmentedReality；中文名称：增强现实)设备、头戴式VR(英文全称：Virtual Reality；中文名称：虚拟现实)设备、投影电视、投影仪等等，应用十分广泛。

还需要说明的是，在本申请实施例中，所使用的“前端”的描述方式，通常是按照光束传输的方向确定的，也即，从前至后的方向与光束传输的方向一致，所述的致动器的后端，是指致动器用作固定的一端，也可称为固定端；所述的致动器的前端，是指致动器上与后端相对的另一端，在部分实施例中，也可称为自由端，是致动器上形变和振幅最显著的部位。当然，此处有关自由端、前端或者后端等概念的定义和解释，同样适用于本申请其他实施例中的致动器、光纤悬臂或其他结构。但应注意的是，在本申请的实施例中，对于某些不具备上述的“前”、“后”概念的结构，将直接使用“固定端”、“自由端”等描述，当然，这样的描述仅为了便于本领域技术人员准确、直观地理解，而并不应认为是对本申请的限定。

在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种压电致动器，所述压电致动器包括压电部以及布设在所述压电部上的驱动电极，所述压电部为极化后的压电材料；其特征在于，所述驱动电极沿轴向方向分隔为多个区段；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的驱动电极所形成的电场的方向相反。

2.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述压电部包含至少一处在设定频率下的振型节点，所述振型节点将所述驱动电极分隔为多个区段。

3.如权利要求2所述的压电致动器，其特征在于，部分或全部所述振型节点上不设置驱动电极。

4.如权利要求3所述的压电致动器，其特征在于，所述压电部为压电晶片结构；所述驱动电极包括上电极和下电极，布设在所述压电晶片结构的上表面和下表面；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的上电极和下电极所形成的电场的方向相反。

5.如权利要求3所述的压电致动器，其特征在于，所述压电部为压电管；所述驱动电极包括内电极和外电极，布设在所述压电管的内表面和外表面；在所述压电致动器处于工作状态时，部分或全部相邻区段的内电极和外电极所形成的电场的方向相反。

6.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述振型节点将所述压电部分隔为两个区段时，所述两个区段上的电极所形成的电场的方向相反；所述振型节点将所述压电部分隔为三个以上区段时，部分或全部相邻区段上的电极所形成的电场的方向相反。

7.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，其中一个区段用于布设反馈电极；在所述压电致动器处于工作状态时，所述反馈电极用于检测所述压电部的形变所产生的电信号。

8.如权利要求7所述的压电致动器，其特征在于，所述反馈电极所在的区段位于所述压电部的中部位置，远离所述压电部的固定端和自由端。

9.一种扫描显示模组，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的压电致动器，光纤，光源和控制电路；所述光源输出的图像光从所述光纤的一端耦入，所述光纤另一端固定在所述压电致动器上；在所述控制电路的控制下，所述光源输出的图像光由所述压电致动器带动光纤进行扫描显示。

10.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括一组或多组如权利要求9所述的扫描显示模组。