一种基于二级桥式位移放大器的二维快速偏转装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种基于二级桥式位移放大器的大角位移二维快速偏转装置及方法。
技术背景
[0002]近年来随着微电子技术、生物工程、航天工程等学科的迅速发展，二维快速偏转反射镜在天文望远镜、图像稳定、军用目标扫描探测、跟踪、瞄准，以及航天器精确指向以及激光通信得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。
[0003]目前广泛采用音圈电机作动来实现二维偏转的装置具有尺寸偏大、功耗高、发热严重、有电磁干扰、尺寸大且谐振频率低等缺点。压电作动器具有尺寸小、重量轻、功耗低、输出力大、发热小，响应快的特点。柔性铰链的具有结构紧凑，无机械摩擦，传动精度高等特点。目前基于压电材料直接驱动的快速偏转装置往往具有偏转范围小的缺点。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于二级桥式位移放大器的二维快速偏转装置及方法，该结构除角位移大之外，还具有结构紧凑，精度高，功耗低等特点。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0006]基于二级桥式位移放大器的二维快速偏转装置，包括与立柱为一体设计固定在底座1上并且位于Χ0Υ平面内的十字形偏转体8，以及位于十字形偏转体8下方分布在立柱相对两侧的Χ0Ζ平面内的第一驱动机构4和第三驱动机构9，位于十字形偏转体8下方分布在立柱另外相对两侧的Υ0Ζ平面内的第二驱动机构7和第四驱动机构12 ;所述第一驱动机构
4、第二驱动机构7、第三驱动机构9以及第四驱动机构12是基于压电陶瓷的二级桥式位移放大机构；所述十字形偏转体8的底面与四个驱动机构的顶端始终保持接触；十字形偏转体8上根据需要安装不同规格的反射用镜片。
[0007]所述第一驱动机构4包括第一二级桥式位移放大机构2，安装在第一二级桥式位移放大机构2内部的第一级桥式位移放大器长轴内的第一压电堆3 ;所述第一二级桥式位移放大机构2的长轴与其内部的第一级桥式位移放大器的短轴同轴，第一二级桥式位移放大机构2的短轴顶部与十字形偏转体8的底面始终保持接触；所述第二驱动机构7、第三驱动机构9和第四驱动机构12的结构与第一驱动机构4的结构相同。
[0008]所述的基于二级桥式位移放大器的二维快速偏转装置的偏转方法:位于X和Y轴下的两对驱动机构相互独立；当X轴下的第一压电堆3和第三压电堆10在差分电压作用下，沿轴向输出差分形式位移时，在二级桥式位移放大器的作用下，沿Z方向产生数倍于压电堆的差分形式输出位移，从而，驱动十字形偏转体8实现Y轴方向的偏转；同理，Y轴下的驱动机构能够实现十字形偏转体8沿X轴方向的偏转；由于X运动和Y运动无耦合，从而，当两对驱动机构同时工作时，能够实现十字形偏转体8高精度连续的大范围的二维偏转。
[0009]本发明与现有技术相比较，具备以下优点:
[0010]本发明克服了压电材料直接驱动输出位移小的特点，采用二级桥式位移放大器来驱动并产生较大作动位移，可实现大范围的偏转角度，与同等角位移输出的情况下有体积小、重量轻、功耗小、驱动力大、作动精度高可驱动大尺寸镜片等特点。
【附图说明】
[0011]图1为本发明偏转装置结构图。
[0012]图2为单轴偏转示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0014]如图1所示，本发明基于二级桥式位移放大器的二维快速偏转装置，包括与立柱为一体设计固定在底座1上并且位于Χ0Υ平面内的十字形偏转体8，以及位于十字形偏转体8下方分布在立柱相对两侧的Χ0Ζ平面内的第一驱动机构4和第三驱动机构9，位于十字形偏转体8下方分布在立柱另外相对两侧的Υ0Ζ平面内的第二驱动机构7和第四驱动机构12 ;所述第一驱动机构4、第二驱动机构7、第三驱动机构9以及第四驱动机构12是基于压电陶瓷的二级桥式位移放大机构；所述十字形偏转体8的底面与四个驱动机构的顶端始终保持接触；十字形偏转体8上根据需要安装不同规格的反射用镜片；第一驱动机构4、第二驱动机构7、第三驱动机构9和第四驱动机构12以及连接十字形偏转转体8的立柱均固定在基座1上。
[0015]如图1所示，所述第一驱动机构4包括第一二级桥式位移放大机构2，安装在第一二级桥式位移放大机构2内部的第一级桥式位移放大器内长轴方向的第一压电堆3 ;所述第一二级桥式位移放大机构2的长轴与其内部的第一级桥式位移放大器的短轴同轴，第一二级桥式位移放大机构2的短轴顶部与十字形偏转体8的底面始终保持接触；所述第二驱动机构7、第三驱动机构9和第四驱动机构12的结构与第一驱动机构4的结构相同。
[0016]所述第三驱动机构9包括第三二级桥式位移放大机构11，以及安装在第三二级桥式位移放大机构11内部的第一级桥式位移放大器内长轴方向的第三压电堆10 ;所述第三二级桥式位移放大机构11的长轴与其内部第一级桥式位移放大器的短轴同轴，第三二级桥式位移放大机构11的短轴顶部与十字形偏转体8的底面始终保持接触。
[0017]所述第二驱动机构7包括第二二级桥式位移放大机构5，安装在第二二级桥式位移放大机构5内部的第一级桥式位移放大器长轴内的第二压电堆6 ;所述第二二级桥式位移放大机构5的长轴与其内部第一级桥式位移放大器的短轴同轴，第二二级桥式位移放大机构5的短轴顶部与十字形偏转体8的底面始终保持接触。
[0018]所述第四驱动机构12包括第四二级桥式位移放大机构14，安装在第四二级桥式位移放大机构14内部的第一级桥式位移放大器内长轴方向的第四压电堆13 ;所述第四二级桥式位移放大机构14的长轴与其内部第一级桥式位移放大器的短轴同轴，第四二级桥式位移放大机构14的短轴顶部与十字形偏转体8的底面始终保持接触。
[0019]所述的基于二级桥式位移放大器的大角位移二维快速偏转装置的偏转方法，位于X和Y轴下的两对驱动机构相互独立；当X轴下的第一压电堆3和第三压电堆10在差分电压作用下，沿X轴向输出差分形式位移时，在二级桥式位移放大器的作用下，沿Z方向产生数倍于压电堆的差分形式输出位移，从而驱动十字形偏转体8实现Y轴方向的偏转；同理，Y轴下的驱动机构能够实现十字形偏转体8沿X轴方向的偏转；由于X运动和Y运动无耦合，从而当两对驱动机构同时工作时，能够实现十字形偏转体8高精度连续的大范围的二维偏转。
[0020]如图2所示，当X轴下的一对位移驱动机构在差分电压作用下，相对初始状态出现差分位移输出时会在Z方向产生+△ Z和-△ Z，从而使十字形偏转体8产生偏转，且偏转角Θ?arctan(AZ/l)，其中1为偏转中心至驱动机构支撑点的距离；同理，Y轴下的驱动机构可以实现使十字形偏转转体8沿X轴的偏转；十字形偏转体8为“十”字形结构，上面可以粘接不同尺寸规格的反射镜；由于X和Y运动无耦合，从而当两对驱动机构同时工作时，可实现高精度、大范围的二维偏转，满足对大偏转角度有特殊要求的场合。
【主权项】
1.基于二级桥式位移放大器的二维快速偏转装置，其特征在于:包括与立柱为一体设计固定在底座(1)上并且位于XOY平面内的十字形偏转转体(8)，位于十字形偏转体(8)下方分布在立柱相对两侧的XOZ平面内的第一驱动机构(4)和第三驱动机构(9)，位于十字形偏转转体(8)下方分布在立柱另外相对两侧的YOZ平面内的第二驱动机构(7)和第四驱动机构(12);所述第一驱动机构(4)、第二驱动机构(7)、第三驱动机构(9)以及第四驱动机构(12)是基于压电陶瓷的二级桥式位移放大机构；所述十字形偏转体(8)的底面与四个驱动机构的顶端始终保持接触；十字形偏转体(8)上根据需要安装不同规格的反射用镜片。2.根据权利要求1所述的基于二级桥式位移放大器的大角位移二维快速偏转装置，其特征在于:所述第一驱动机构(4)包括第一二级桥式位移放大机构(2)，安装在第一二级桥式位移放大机构(2)内部的第一级桥式位移放大器长轴内的第一压电堆(3);所述第一二级桥式位移放大机构(2)的长轴与其内部的第一级桥式位移放大器的短轴同轴，第一二级桥式位移放大机构(2)的短轴顶部与十字形偏转体(8)的底面始终保持接触；所述第二驱动机构(7)、第三驱动机构(9)和第四驱动机构(12)的结构与第一驱动机构(4)的结构相同。3.权利要求1或2所述的基于二级桥式位移放大器的大角位移二维快速偏转装置的偏转方法，其特征在于:位于X和Y轴下的两对驱动机构相互独立；当X轴下的第一压电堆(3)和第三压电堆(10)在差分电压作用下，沿轴向输出差分形式位移时，在二级桥式位移放大器的作用下，沿Z方向产生数倍于压电堆的差分形式输出位移，从而，驱动十字形偏转体(8)实现Y轴方向的偏转；同理，Y轴下的驱动机构能够实现十字形偏转体(8)沿X轴方向的偏转；由于X运动和Y运动无耦合，从而当两对驱动机构同时工作时，能够实现十字形偏转体(8)高精度连续的大范围的二维偏转。
【专利摘要】基于二级桥式位移放大器的大角位移二维快速偏转装置及方法，该装置包括与立柱为一体设计固定在底座上位于XOY平面内的十字形偏转体，位于十字形偏转体下方分布在立柱相对两侧的XOZ平面内的第一驱动机构和第三驱动机构，位于十字形偏转体下方分布在立柱另外相对两侧的YOZ平面内的第二驱动机构和第四驱动机构；第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构以及第四驱动机构是基于压电陶瓷的二级桥式位移放大机构；十字形偏转体的底面与四个驱动机构的顶端始终保持接触；十字形偏转体上根据需要安装不同规格的反射用镜片；本发明还公开了偏转方法；由于X和Y运动无耦合，从而当两对驱动器同时工作时，可实现高精度、大范围的二维偏转，满足对大偏转角度有特殊要求的场合。
【IPC分类】G02B26/10, G02B26/08
【公开号】CN105301763
【申请号】CN201510727657
【发明人】田征, 徐明龙, 敬子建, 张丰, 朱建阳, 刘开园
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月30日