一种压电作动器驱动的光学系统调焦装置及其工作方法

本发明涉及压电驱动领域，尤其涉及一种压电作动器驱动的光学系统调焦装置及其工作方法。

背景技术：

1、光学系统在服役过程中会受到环境温度变化、气压变化以及振动等影响。上述环境因素会引起光学系统像面发生离焦，降低成像的分辨率。因此需要调焦装置来调节光学系统的离焦量，提高成像质量。调焦装置通常为直线运动机构，通过驱动调焦透镜，改变调焦透镜与目镜透镜与物镜透镜之间的距离，实现对光学系统焦距的调节。目前，光学系统普遍采用的调焦装置通常包括凸轮、丝杠螺母以及压电叠堆直驱等。凸轮调焦方式存在体积大、凸轮易磨损和无法实现自锁等缺点；丝杠螺母虽然可以实现较高精度的调焦，但是其加工要求较高、需要配置减速器等转动机构，结构复杂。随着微机电领域的不断发展，光学系统对调焦装置小型化、简单化的要求不断提高，压电叠堆直驱的调焦装置应运而生。压电叠堆驱动的调焦装置虽然具有结构简单的优势，但是其行程受限于压电叠堆的变形量，通常为微米级别的行程，应用场合受限。因此，在降低调焦装置结构复杂度的同时保证装置能够实现大行程、高精度和自锁等要求成为了光学系统调焦装置亟待解决的主要问题。

2、压电作动器是一种基于逆压电效应的驱动器，能够通过压电陶瓷激发出定子的高频微幅振动，从而对转子实现驱动。因其结构简单、精度高、断电自锁和电磁兼容性好等特点，在生物工程、航空航天及精密工程等领域具有极其广泛的应用。因此压电作动器是调焦机构的理想驱动器。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电作动器驱动的光学系统调焦装置及其工作方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种压电驱动的光学系统调焦装置，在目镜和物镜之间设有若干透镜组件，所述透镜组件包含固定支架、调节滑轨、滑块、透镜支架、透镜、轴承、作动器、第一固定螺栓和第二固定螺栓；

4、所述固定支架呈l型，包含第一固定板和第二固定板，第一固定板的一端和第二固定板的一端垂直固连；

5、所述第一固定板上设有用于固定所述作动器的第一安装孔；

6、所述调节滑轨固定在所述第二固定板上、和所述第一固定板垂直；所述滑块设置在所述调节滑轨上，能够在所述调节滑轨上自由滑动；

7、所述透镜支架上和所述滑块固连，其上设有用于安装透镜的第二安装孔和用于安装轴承的第三安装孔；

8、所述透镜固定在第二安装孔中，轴承的外圈固定在第三安装孔中，透镜、轴承的轴线均垂直于所述第一固定板；

9、所述作动器包含金属基体、第一至第四压电陶瓷片、第一至第二螺柱、连杆、弹簧、以及调节螺栓；

10、所述金属基体呈正四棱柱，包含第一端面、第二端面以及首尾依次相连的第一至第四侧壁，其在第一端面沿轴线设有用于和所述调节螺栓相配合螺纹通孔；

11、所述第一至第四压电陶瓷片结构相同，一一对应设置在所述第一至第四侧壁上，均沿厚度方向极化，其中，第一、第三压电陶瓷片对称设置且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片对称设置且极化方向相同；

12、所述第一螺柱、第二螺柱外径相同，沿轴线均设有用于和所述连杆配合的通孔；

13、所述第一螺柱一端从金属基体螺纹通孔位于第一端面中心的一侧伸入金属基体内、和金属基体螺纹相连，第二螺柱一端从金属基体螺纹通孔位于第二端面中心的一侧伸入金属基体内、和金属基体螺纹相连，第一螺柱、第二螺柱之间留有空隙；

14、所述连杆一端设有用于和所述调节螺栓相配合的外螺纹，且设有外螺纹的一端依次穿过第一螺柱、第二螺柱和所述调节螺栓螺纹相连，连杆和第一螺柱同轴固连；连杆和第二螺柱之间键连，使得连杆和第二螺柱周向固定、轴向能够自由滑动；

15、所述弹簧设置在调节螺栓和第二螺柱之间，一端和调节螺栓相抵，另一端和第二螺柱相抵，用于提供预紧力；

16、所述连杆远离调节螺栓的一端和所述轴承的内圈同轴固连；

17、所述金属基体设置在所述第一安装孔中，和第一固定板在其第一至第四侧壁的弯曲振动节点处固连，使得第一固定板位于第一至第四压电陶瓷片和第二端面之间且第二固定板和金属基体平行；

18、所述透镜组件的固定支架固定在目镜和物镜之间，使得透镜组件的透镜和目镜、物镜同轴。

19、作为本发明一种压电驱动的光学系统调焦装置进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶一一对应粘胶在所述第一至第四侧壁上。

20、作为本发明一种压电驱动的光学系统调焦装置进一步的优化方案，所述金属基体的第一至第四侧壁之间均设有倒角。

21、作为本发明一种压电驱动的光学系统调焦装置进一步的优化方案，所述连杆上设有平行于其轴线的第一键槽，所述第二螺柱内壁上设有和所述第一键槽相配合的第二键槽；

22、所述连杆、第二螺柱之间设有平键；所述平键一部分位于第一键槽内、另一部分位于第二键槽内，使得连杆、第二螺柱周向固定且轴向能够自由滑动。

23、作为本发明一种压电驱动的光学系统调焦装置进一步的优化方案，本发明还包含第一固定螺栓和第二固定螺栓；

24、所述第一固定板包含第一端面、第二端面、以及依次首尾相连的第一至第四侧面，第一固定板在其第四侧面处和第二固定板垂直固连；

25、所述第一安装孔贯穿第一固定板的第一端面和第二端面；

26、所述第一固定板的第一侧面上设有和所述第一安装孔联通且和所述第一固定螺栓相匹配的第一螺纹孔，所述第一固定螺栓通过第一螺纹孔和第一固定板螺纹相连，且第一固定螺栓和所述金属基体相抵；

27、所述第一固定板的第二侧面上设有和所述第一安装孔联通且和所述第二固定螺栓相匹配的第二螺纹孔，所述第二固定螺栓通过第二螺纹孔和第一固定板螺纹相连，且第二固定螺栓和所述金属基体相抵；

28、所述第一固定螺栓、第二固定螺栓相配合将所述金属基体固定在所述第一安装孔中。

29、本发明还公开了一种该压电驱动的光学系统调焦装置的工作方法，包含以下过程：

30、若需要控制透镜组件中的透镜在目镜和物镜之间正向平移：

31、对第一、第三压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四压电陶瓷片施加第二信号，第一、第二信号为相位差为π/2的正弦电压信号，使得金属基体螺纹上质点进行高频微幅振动，进而通过摩擦作用驱动第一螺柱、第二螺柱旋转；透镜支架在第一螺柱的带动下沿调节滑轨正向运动，进而带动透镜在目镜和物镜之间正向平移；

32、如果需要控制透镜组件中的透镜在目镜和物镜之间反向平移，调节第一、第二信号的相位差为-π/2即可。

33、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

34、1. 本发明通过螺纹压电作动器作为透镜组件调焦的驱动器。螺纹压电作动器和透镜支架直接相连，无需传动机构，实现了对透镜的直接驱动，装置所需装配部件少，有效减少了结构复杂度。螺纹压电作动器的定转子之间为螺纹配合，螺纹配合具备自锁的功能，利用该特性，本发明中所提出的调焦装置能够在光学系统焦距保持阶段断电，降低装置功耗；

35、2. 本发明采用模块化设计，在不同的光学系统设计中，可沿轴线串联布置若干透镜组件，实现光路中多个调焦透镜的调节，装置能够适用于各类光学系统的调节需求，通用性更强；

36、3. 本发明中装置的有效行程取决于螺纹压电作动器中第一螺柱、第二螺柱的长度，因此可以根据不同光学系统的行程需要去涉及第一螺柱、第二螺柱的长度，装置适用性更强。