CN117348195A - 主动式无反作用力压电高速倾斜镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜。包括基座、平面反射镜组件、柔性支撑组件、粗调镜架、压电致动组件以及主动反作用力补偿组件；压电致动组件分为工作驱动以及主动补偿两部分，每部分都均布M(M为大于等于3的自然数)个压电陶瓷致动器。柔性支撑组件分为上柔性支撑组件以及下柔性支撑组件。平面反射镜组件通过上柔性支撑组件与工作驱动板块连接，主动反作用力补偿组件通过下柔性支撑与主动补偿板块连接，压电致动组件通过夹具与粗调镜架及基座连接。本发明的高速倾斜镜结构利用压电致动组件柔性调谐消除了高速倾斜镜的反作用力，极大程度上减少了高速倾斜镜镜面运动对约束端的影响，可提升了整个系统的动态性能。

Description

主动式无反作用力压电高速倾斜镜

技术领域

本发明涉及高速倾斜镜领域，尤其涉及一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜。

背景技术

高速倾斜镜因为体积小，定位精度高、带宽高、响应速度快等优点而被作为光源和接收器之间进行光束指向控制的反射镜器件。相比于传统框架结构，高速倾斜镜在指向控制精度、控制带宽、角度分辨率等方面都有大幅提升。高速倾斜镜主要由反射镜、驱动元件、支撑结构、基座等构成。驱动元件主要分为以下几类：压电陶瓷式、电磁式、磁致伸缩式、液压式、机械式。其中，压电陶瓷致动器因其大出力、超高精度和快速响应等优越性能而受到广泛应用。

但是压电陶瓷致动器的位移行程较小，因此压电式倾斜镜的角行程也往往较小。一种可行的方式是将压电式倾斜镜和粗调镜架组件结合使用。但是在高速倾斜镜系统中，压电致动组件接受来自控制系统的驱动信号，驱动平面反射镜组件产生快速的位移，在此过程中，高速倾斜镜的镜面会做高频的偏转运动，这些运动的惯性力会传递到低刚度的粗调镜架组件上，粗调镜架组件因此产生共振从而影响整个光束指向系统的稳定性。因此实现反作用力的消除，是实现大动态范围和高精度、高速光束指向系统的必备条件。

进一步的，常用的无反作用力补偿系统采用同一致动器组件，只能通过配置反作用力质量块的转动惯量实现惯性力消除，这种被动的反作用力消除方式的准确度和效果往往不佳，在刚度差的约束状况下，高速倾斜镜在一些特定频段的工作状态中，即便微小的反作用力也会导致约束组件发生共振，而采用主动式无反作用力消除方式，可提升反作用力消除的效果，提升高速倾斜镜的动态精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，旨在解决现有技术中的高速倾斜镜反作用力影响反射镜精度的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，包括基座、平面反射镜组件、粗调镜架、柔性支撑组件、压电致动组件以及主动反作用力补偿组件；

所述柔性支撑组件包括上柔性支撑和下柔性支撑，所述平面反射镜组件通过上柔性支撑组件与工作驱动组件连接，所述主动反作用力补偿组件通过下柔性支撑组件与主动补偿组件连接；

所述压电致动组件由2M个压电陶瓷致动器以及支撑组件构成，又根据所处的位置分为工作致动组件以及主动补偿组件。所述工作驱动组件以及所述主动补偿组件都交错均布M个压电陶瓷致动器；

所述工作驱动组件与所述上柔性支撑组件连接，另一端为所述主动补偿组件与所述下柔性支撑组件连接；

所述压电致动组件通过所述柔性支撑组件分别与所述平面反射镜组件以及所述主动反作用力补偿组件连接；

所述粗调镜架通过夹具与所述压电陶瓷驱动组件连接，另一端固定于基座之上；

所述夹具使用螺钉将所述驱动组件与所述粗调镜架固定；

优选的，所述上柔性支撑组件与所述下柔性支撑组件分别连接M个压电陶瓷致动器；

优选的，所述驱动组件由支撑组件与M个压电陶瓷致动器构成；

优选的，所述驱动组件支撑结构在上下两个端面360/M度均布M个压电陶瓷致动器安装孔位；

优选的，所述压电致动组件在整个支撑结构中180/M度均布2M个压电陶瓷致动器安装孔位；

优选的，所述粗调镜架通过调节旋钮可以对反射镜进行大范围的角度调节；

优选的，所述主动反作用力补偿组件与所述平面反射镜组件中心轴线重合。

本申请技术方案的优点：

(1)本发明采用了主动式反作用力补偿结构，利用相应的控制方法，就可以实现消除倾斜镜在高速工作中产生的作用力。较之传统被动式反作用力补偿工作方式，平面反射镜组件和反作用力质量块的动态参数只需大致匹配，还可采用压电陶瓷驱动的主动反作用力补偿组件进行精确补偿，利用压电陶瓷致动器响应速度快精度高的特点可提高消除镜面反作用力的效果。当倾斜镜需要固定在低谐振的轻量化镜架上时，主动式无反作用力补偿结构的优势较之传统被动式补偿结构会更加明显。

(2)本发明采用了紧凑式布局，即便增加了主动反作用力补偿组件，本发明的体积也和常规压电倾斜镜相当。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高速倾斜镜结构示意图；

图2是本发明实施例提供的平面反射镜组件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的柔性支撑结构示意图；

图4是本发明实施例提供的压电致动组件结构示意图；

图5是本发明实施例提供的压电致动组件支撑结构中截面示意图；

图6是本发明实施例提供的主动反作用力补偿组件结构示意图。

附图标号说明：1、基座；2、平面反射镜组件；3、柔性支撑组件；4、压电致动组件；5、粗调镜架；6、主动反作用力补偿组件；2a、第一安装孔位；2b、第二安装孔位；2c、第三安装孔位；21、平面反射镜；22、平面反射镜背板；31、上柔性支撑组件；32、下柔性支撑组件；3a、第一柔性支撑头；3b、第二柔性支撑头；3c、第三柔性支撑头；3d、第四柔性支撑头；3e、第五柔性支撑头；3f、第六柔性支撑头；4a、第一压电陶瓷致动器；4b、第二压电陶瓷致动器；4c、第三压电陶瓷致动器；4d、第四压电陶瓷致动器；4e、第五压电陶瓷致动器；4f、第六压电陶瓷致动器；41、工作驱动组件；42、主动补偿组件；43、支撑结构；6a、第四安装孔位；6b、第五安装孔位；6c、第六安装孔位；61、主动反作用力补偿镜面；62、主动反作用力补偿背板。

具体实施方式

为了对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，下面将结合本发明实施例中的附图进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应的随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个原件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

此外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所暗示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图6所示，其为本发明的一种实施例(当M＝3时)的一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，包括基座1、平面反射镜组件2、柔性支撑组件3、压电致动组件4、粗调镜架5、主动反作用力补偿组件6。

所述平面反射镜组件2，由平面反射镜面21以及平面反射镜背板22构成。如图2所示，所述平面反射镜背板22通过粘连的方式与平面反射镜21连接。所述平面反射镜背板22底层均匀分布有三个安装凹孔，分别为第一安装孔位2a，第二安装孔位2b；第三安装孔位2c；所述第一安装孔位2a，第二安装孔位2b；第三安装孔位2c以120度均布方式分布在背板底层上，所述第一安装孔位2a，第二安装孔位2b；第三安装孔位2c的圆心共圆。

所述柔性支撑组件3分为上柔性支撑组件31和下柔性支撑组件32，所述上柔性支撑组件31以及下柔性支撑组件32均有三个柔性铰链组织。其中，所述上柔性支撑组件31一端连接压电陶瓷致动器，另一端连接平面反射镜组件2。构成所述上柔性支撑组件31的第一柔性支撑头3a，第二柔性支撑头3b以及第三柔性支撑头3c分别与所述平面反射镜组件2平面反射镜背板22上的第一安装孔位2a，第二安装孔位2b；第三安装孔位2c一一对应。所述下柔性支撑组件32一端连接压电陶瓷致动器，另一端连接主动反作用力补偿组件6。构成所述下柔性支撑组件32的第四柔性支撑头3d，第五柔性支撑头3e以及第六柔性支撑头3f分别与主动反作用力补偿背板62上的第四安装孔位6a，第五安装孔位6b，第六安装孔位6c一一对应。在对压电陶瓷致动器进行驱动时，独立的柔性支撑铰链组织与独立的压电陶瓷致动器一一对应，能够完成对平面反射镜组件2或主动反作用力补偿组件6进行特定角度、高精度调试的目标。

所述压电致动组件4由六个独立压电陶瓷驱动器以及支撑结构43组成。如图4所示，所述压电致动组件分为工作驱动组件41、主动补偿组件42以及支撑结构43。其中，所述工作驱动组件41由第一压电陶瓷致动器4a、第二压电陶瓷致动器4b、第三压电陶瓷致动器4c构成。与之对应的，所述主动补偿组件42由第四压电陶瓷致动器4d、第五压电陶瓷致动器4e、第六压电陶瓷致动器4f构成。如图5所示，所述六个压电陶瓷致动器在整个支撑结构中按60度均布，每个压电陶瓷致动器的圆心共圆。所述工作驱动组件41与主动补偿组件42，分别由三个压电陶瓷致动器按120度均布的方式构成。

进一步的，所述柔性支撑组件3中的柔性铰链结构与压电陶瓷致动器一一对应，独立连接。

所述粗调镜架5，使用夹具固定于所述压电致动组件4支撑结构43外侧。

所述粗调镜架5，通过使用螺钉固定的方式与基座连接。

所述主动反作用补偿组件6，由主动反作用力补偿镜面61以及主动反作用补偿背板62构成。如图6所示，所述主动反作用补偿背板62底层均匀分布有三个安装凹孔，分别为第四安装孔位6a；第五安装孔位6b；第六安装孔位6c。所述第四安装孔位6a；第五安装孔位6b；第六安装孔位6c以120度均布方式分布在主动反作用补偿背板62底层上，所述第四安装孔位6a；第五安装孔位6b；第六安装孔位6c的圆心共圆。

工作原理：本发明中的柔性支撑组件独立连接压电陶瓷致动器，可以分别控制平面镜产生不同角度的偏转，并且不会对系统运动产生额外的摩擦影响；压电致动组件接收来自控制系统的驱动信号，驱动平面反射组件产生相应的线位移。压电致动组件分为工作驱动组件以及主动反作用力补偿组件，在工作驱动组件驱动平面反射镜组件产生线位移的同时，主动补偿组件同时反方向驱动主动反作用力补偿组件，提供一个反作用惯量来消除反作用力。当平面反射镜组件和主动反作用补偿组件的动态参数匹配时，就不会存在额外的力或者力矩传递到外部设备上，在提高基座组件的稳定性的同时，也会减少外部设备对高速倾斜镜系统的影响。结合压电陶瓷致动器高精度的特点，当需要大范围的角度调试时，可以通过粗调镜架进行宽范围内的角度调试，从而更有效的提升了高速倾斜镜系统的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，其特征在于，包括基座(1)、平面反射镜组件(2)、柔性支撑组件(3)、压电致动组件(4)、粗调镜架(5)、以及主动反作用力补偿组件(6)；

所述柔性支撑组件(3)分为上柔性支撑组件(31)和下支撑组件(32)，所述压电致动组件(4)包括主动补偿组件(42)和工作驱动组件(41)，所述平面反射镜组件(2)通过上柔性支撑组件(31)与工作驱动组件(41)相连，所述主动反作用力补偿组件(6)通过下柔性支撑组件(32)与主动补偿组件(42)相连。

2.根据权利要求1所述的一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，其特征在于，柔性支撑组件(3)共有2M个单独的柔性支撑头，上柔性支撑组件(31)与下柔性支撑组件(32)分别有M个柔性支撑头，每个柔性支撑组件独立运转且互不干扰。

3.根据权利要求1所述的一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，其特征在于，工作驱动组件(41)与主动补偿组件(42)分别连接平面反射镜组件(2)以及主动反作用力补偿组件(6)，通过控制工作驱动组件(41)与主动补偿组件(42)的不同位置的压电陶瓷致动器，从而控制平面反射镜组件(2)或主动反作用力补偿组件(6)进行不同角度的偏移。

4.根据权利要求3所述的一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，其特征在于，工作驱动组件(41)与主动补偿组件(42)均由M个压电陶瓷致动器组成；工作驱动组件(41)与主动补偿组件(42)都具有的M个压电陶瓷致动器都按360/M度均布的方式排布；则在整个支撑结构(43)中，M个压电陶瓷致动器按照180/M度均布的结构上下紧凑地交错分布在支撑结构(43)中，其中驱动平面反射镜组件(2)的工作驱动组件(41)和驱动主动反作用力补偿组件(6)的主动补偿组件(42)独立运转且互不干扰。

5.根据权利要求1所述的一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，其特征在于，在需要进行大角度范围调试时，使用粗调镜架(5)进行大范围的调试。

6.根据权利要求1所述的一种主动式无反作用力压电高速倾斜镜，其特征在于，所述柔性支撑组件(3)与压电致动组件(4)通过夹具与粗调镜架(5)连接。