一種基于二級橋式位移放大器的二維快速偏轉(zhuǎn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光束控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于二級橋式位移放大器的大角位移二維快速偏轉(zhuǎn)裝置及方法。
技術(shù)背景
[0002]近年來隨著微電子技術(shù)、生物工程、航天工程等學科的迅速發(fā)展，二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡在天文望遠鏡、圖像穩(wěn)定、軍用目標掃描探測、跟蹤、瞄準，以及航天器精確指向以及激光通信得到了廣泛應用，并發(fā)揮著日益重要的作用。
[0003]目前廣泛采用音圈電機作動來實現(xiàn)二維偏轉(zhuǎn)的裝置具有尺寸偏大、功耗高、發(fā)熱嚴重、有電磁干擾、尺寸大且諧振頻率低等缺點。壓電作動器具有尺寸小、重量輕、功耗低、輸出力大、發(fā)熱小，響應快的特點。柔性鉸鏈的具有結(jié)構(gòu)緊湊，無機械摩擦，傳動精度高等特點。目前基于壓電材料直接驅(qū)動的快速偏轉(zhuǎn)裝置往往具有偏轉(zhuǎn)范圍小的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于二級橋式位移放大器的二維快速偏轉(zhuǎn)裝置及方法，該結(jié)構(gòu)除角位移大之外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，功耗低等特點。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]基于二級橋式位移放大器的二維快速偏轉(zhuǎn)裝置，包括與立柱為一體設計固定在底座1上并且位于Χ0Υ平面內(nèi)的十字形偏轉(zhuǎn)體8，以及位于十字形偏轉(zhuǎn)體8下方分布在立柱相對兩側(cè)的Χ0Ζ平面內(nèi)的第一驅(qū)動機構(gòu)4和第三驅(qū)動機構(gòu)9，位于十字形偏轉(zhuǎn)體8下方分布在立柱另外相對兩側(cè)的Υ0Ζ平面內(nèi)的第二驅(qū)動機構(gòu)7和第四驅(qū)動機構(gòu)12 ;所述第一驅(qū)動機構(gòu)
4、第二驅(qū)動機構(gòu)7、第三驅(qū)動機構(gòu)9以及第四驅(qū)動機構(gòu)12是基于壓電陶瓷的二級橋式位移放大機構(gòu)；所述十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面與四個驅(qū)動機構(gòu)的頂端始終保持接觸；十字形偏轉(zhuǎn)體8上根據(jù)需要安裝不同規(guī)格的反射用鏡片。
[0007]所述第一驅(qū)動機構(gòu)4包括第一二級橋式位移放大機構(gòu)2，安裝在第一二級橋式位移放大機構(gòu)2內(nèi)部的第一級橋式位移放大器長軸內(nèi)的第一壓電堆3 ;所述第一二級橋式位移放大機構(gòu)2的長軸與其內(nèi)部的第一級橋式位移放大器的短軸同軸，第一二級橋式位移放大機構(gòu)2的短軸頂部與十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面始終保持接觸；所述第二驅(qū)動機構(gòu)7、第三驅(qū)動機構(gòu)9和第四驅(qū)動機構(gòu)12的結(jié)構(gòu)與第一驅(qū)動機構(gòu)4的結(jié)構(gòu)相同。
[0008]所述的基于二級橋式位移放大器的二維快速偏轉(zhuǎn)裝置的偏轉(zhuǎn)方法:位于X和Y軸下的兩對驅(qū)動機構(gòu)相互獨立；當X軸下的第一壓電堆3和第三壓電堆10在差分電壓作用下，沿軸向輸出差分形式位移時，在二級橋式位移放大器的作用下，沿Z方向產(chǎn)生數(shù)倍于壓電堆的差分形式輸出位移，從而，驅(qū)動十字形偏轉(zhuǎn)體8實現(xiàn)Y軸方向的偏轉(zhuǎn)；同理，Y軸下的驅(qū)動機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)十字形偏轉(zhuǎn)體8沿X軸方向的偏轉(zhuǎn)；由于X運動和Y運動無耦合，從而，當兩對驅(qū)動機構(gòu)同時工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)十字形偏轉(zhuǎn)體8高精度連續(xù)的大范圍的二維偏轉(zhuǎn)。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具備以下優(yōu)點:
[0010]本發(fā)明克服了壓電材料直接驅(qū)動輸出位移小的特點，采用二級橋式位移放大器來驅(qū)動并產(chǎn)生較大作動位移，可實現(xiàn)大范圍的偏轉(zhuǎn)角度，與同等角位移輸出的情況下有體積小、重量輕、功耗小、驅(qū)動力大、作動精度高可驅(qū)動大尺寸鏡片等特點。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明偏轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2為單軸偏轉(zhuǎn)示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明基于二級橋式位移放大器的二維快速偏轉(zhuǎn)裝置，包括與立柱為一體設計固定在底座1上并且位于Χ0Υ平面內(nèi)的十字形偏轉(zhuǎn)體8，以及位于十字形偏轉(zhuǎn)體8下方分布在立柱相對兩側(cè)的Χ0Ζ平面內(nèi)的第一驅(qū)動機構(gòu)4和第三驅(qū)動機構(gòu)9，位于十字形偏轉(zhuǎn)體8下方分布在立柱另外相對兩側(cè)的Υ0Ζ平面內(nèi)的第二驅(qū)動機構(gòu)7和第四驅(qū)動機構(gòu)12 ;所述第一驅(qū)動機構(gòu)4、第二驅(qū)動機構(gòu)7、第三驅(qū)動機構(gòu)9以及第四驅(qū)動機構(gòu)12是基于壓電陶瓷的二級橋式位移放大機構(gòu)；所述十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面與四個驅(qū)動機構(gòu)的頂端始終保持接觸；十字形偏轉(zhuǎn)體8上根據(jù)需要安裝不同規(guī)格的反射用鏡片；第一驅(qū)動機構(gòu)4、第二驅(qū)動機構(gòu)7、第三驅(qū)動機構(gòu)9和第四驅(qū)動機構(gòu)12以及連接十字形偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體8的立柱均固定在基座1上。
[0015]如圖1所示，所述第一驅(qū)動機構(gòu)4包括第一二級橋式位移放大機構(gòu)2，安裝在第一二級橋式位移放大機構(gòu)2內(nèi)部的第一級橋式位移放大器內(nèi)長軸方向的第一壓電堆3 ;所述第一二級橋式位移放大機構(gòu)2的長軸與其內(nèi)部的第一級橋式位移放大器的短軸同軸，第一二級橋式位移放大機構(gòu)2的短軸頂部與十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面始終保持接觸；所述第二驅(qū)動機構(gòu)7、第三驅(qū)動機構(gòu)9和第四驅(qū)動機構(gòu)12的結(jié)構(gòu)與第一驅(qū)動機構(gòu)4的結(jié)構(gòu)相同。
[0016]所述第三驅(qū)動機構(gòu)9包括第三二級橋式位移放大機構(gòu)11，以及安裝在第三二級橋式位移放大機構(gòu)11內(nèi)部的第一級橋式位移放大器內(nèi)長軸方向的第三壓電堆10 ;所述第三二級橋式位移放大機構(gòu)11的長軸與其內(nèi)部第一級橋式位移放大器的短軸同軸，第三二級橋式位移放大機構(gòu)11的短軸頂部與十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面始終保持接觸。
[0017]所述第二驅(qū)動機構(gòu)7包括第二二級橋式位移放大機構(gòu)5，安裝在第二二級橋式位移放大機構(gòu)5內(nèi)部的第一級橋式位移放大器長軸內(nèi)的第二壓電堆6 ;所述第二二級橋式位移放大機構(gòu)5的長軸與其內(nèi)部第一級橋式位移放大器的短軸同軸，第二二級橋式位移放大機構(gòu)5的短軸頂部與十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面始終保持接觸。
[0018]所述第四驅(qū)動機構(gòu)12包括第四二級橋式位移放大機構(gòu)14，安裝在第四二級橋式位移放大機構(gòu)14內(nèi)部的第一級橋式位移放大器內(nèi)長軸方向的第四壓電堆13 ;所述第四二級橋式位移放大機構(gòu)14的長軸與其內(nèi)部第一級橋式位移放大器的短軸同軸，第四二級橋式位移放大機構(gòu)14的短軸頂部與十字形偏轉(zhuǎn)體8的底面始終保持接觸。
[0019]所述的基于二級橋式位移放大器的大角位移二維快速偏轉(zhuǎn)裝置的偏轉(zhuǎn)方法，位于X和Y軸下的兩對驅(qū)動機構(gòu)相互獨立；當X軸下的第一壓電堆3和第三壓電堆10在差分電壓作用下，沿X軸向輸出差分形式位移時，在二級橋式位移放大器的作用下，沿Z方向產(chǎn)生數(shù)倍于壓電堆的差分形式輸出位移，從而驅(qū)動十字形偏轉(zhuǎn)體8實現(xiàn)Y軸方向的偏轉(zhuǎn)；同理，Y軸下的驅(qū)動機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)十字形偏轉(zhuǎn)體8沿X軸方向的偏轉(zhuǎn)；由于X運動和Y運動無耦合，從而當兩對驅(qū)動機構(gòu)同時工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)十字形偏轉(zhuǎn)體8高精度連續(xù)的大范圍的二維偏轉(zhuǎn)。
[0020]如圖2所示，當X軸下的一對位移驅(qū)動機構(gòu)在差分電壓作用下，相對初始狀態(tài)出現(xiàn)差分位移輸出時會在Z方向產(chǎn)生+△ Z和-△ Z，從而使十字形偏轉(zhuǎn)體8產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角Θ?arctan(AZ/l)，其中1為偏轉(zhuǎn)中心至驅(qū)動機構(gòu)支撐點的距離；同理，Y軸下的驅(qū)動機構(gòu)可以實現(xiàn)使十字形偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體8沿X軸的偏轉(zhuǎn)；十字形偏轉(zhuǎn)體8為“十”字形結(jié)構(gòu)，上面可以粘接不同尺寸規(guī)格的反射鏡；由于X和Y運動無耦合，從而當兩對驅(qū)動機構(gòu)同時工作時，可實現(xiàn)高精度、大范圍的二維偏轉(zhuǎn)，滿足對大偏轉(zhuǎn)角度有特殊要求的場合。
【主權(quán)項】
1.基于二級橋式位移放大器的二維快速偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于:包括與立柱為一體設計固定在底座(1)上并且位于XOY平面內(nèi)的十字形偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體(8)，位于十字形偏轉(zhuǎn)體(8)下方分布在立柱相對兩側(cè)的XOZ平面內(nèi)的第一驅(qū)動機構(gòu)(4)和第三驅(qū)動機構(gòu)(9)，位于十字形偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體(8)下方分布在立柱另外相對兩側(cè)的YOZ平面內(nèi)的第二驅(qū)動機構(gòu)(7)和第四驅(qū)動機構(gòu)(12);所述第一驅(qū)動機構(gòu)(4)、第二驅(qū)動機構(gòu)(7)、第三驅(qū)動機構(gòu)(9)以及第四驅(qū)動機構(gòu)(12)是基于壓電陶瓷的二級橋式位移放大機構(gòu)；所述十字形偏轉(zhuǎn)體(8)的底面與四個驅(qū)動機構(gòu)的頂端始終保持接觸；十字形偏轉(zhuǎn)體(8)上根據(jù)需要安裝不同規(guī)格的反射用鏡片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二級橋式位移放大器的大角位移二維快速偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于:所述第一驅(qū)動機構(gòu)(4)包括第一二級橋式位移放大機構(gòu)(2)，安裝在第一二級橋式位移放大機構(gòu)(2)內(nèi)部的第一級橋式位移放大器長軸內(nèi)的第一壓電堆(3);所述第一二級橋式位移放大機構(gòu)(2)的長軸與其內(nèi)部的第一級橋式位移放大器的短軸同軸，第一二級橋式位移放大機構(gòu)(2)的短軸頂部與十字形偏轉(zhuǎn)體(8)的底面始終保持接觸；所述第二驅(qū)動機構(gòu)(7)、第三驅(qū)動機構(gòu)(9)和第四驅(qū)動機構(gòu)(12)的結(jié)構(gòu)與第一驅(qū)動機構(gòu)(4)的結(jié)構(gòu)相同。3.權(quán)利要求1或2所述的基于二級橋式位移放大器的大角位移二維快速偏轉(zhuǎn)裝置的偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于:位于X和Y軸下的兩對驅(qū)動機構(gòu)相互獨立；當X軸下的第一壓電堆(3)和第三壓電堆(10)在差分電壓作用下，沿軸向輸出差分形式位移時，在二級橋式位移放大器的作用下，沿Z方向產(chǎn)生數(shù)倍于壓電堆的差分形式輸出位移，從而，驅(qū)動十字形偏轉(zhuǎn)體(8)實現(xiàn)Y軸方向的偏轉(zhuǎn)；同理，Y軸下的驅(qū)動機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)十字形偏轉(zhuǎn)體(8)沿X軸方向的偏轉(zhuǎn)；由于X運動和Y運動無耦合，從而當兩對驅(qū)動機構(gòu)同時工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)十字形偏轉(zhuǎn)體(8)高精度連續(xù)的大范圍的二維偏轉(zhuǎn)。
【專利摘要】基于二級橋式位移放大器的大角位移二維快速偏轉(zhuǎn)裝置及方法，該裝置包括與立柱為一體設計固定在底座上位于XOY平面內(nèi)的十字形偏轉(zhuǎn)體，位于十字形偏轉(zhuǎn)體下方分布在立柱相對兩側(cè)的XOZ平面內(nèi)的第一驅(qū)動機構(gòu)和第三驅(qū)動機構(gòu)，位于十字形偏轉(zhuǎn)體下方分布在立柱另外相對兩側(cè)的YOZ平面內(nèi)的第二驅(qū)動機構(gòu)和第四驅(qū)動機構(gòu)；第一驅(qū)動機構(gòu)、第二驅(qū)動機構(gòu)、第三驅(qū)動機構(gòu)以及第四驅(qū)動機構(gòu)是基于壓電陶瓷的二級橋式位移放大機構(gòu)；十字形偏轉(zhuǎn)體的底面與四個驅(qū)動機構(gòu)的頂端始終保持接觸；十字形偏轉(zhuǎn)體上根據(jù)需要安裝不同規(guī)格的反射用鏡片；本發(fā)明還公開了偏轉(zhuǎn)方法；由于X和Y運動無耦合，從而當兩對驅(qū)動器同時工作時，可實現(xiàn)高精度、大范圍的二維偏轉(zhuǎn)，滿足對大偏轉(zhuǎn)角度有特殊要求的場合。
【IPC分類】G02B26/10, G02B26/08
【公開號】CN105301763
【申請?zhí)枴緾N201510727657
【發(fā)明人】田征, 徐明龍, 敬子建, 張豐, 朱建陽, 劉開園
【申請人】西安交通大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月30日