一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法技术

压电指向调节机构在卫星激光通信、激光武器、天文光学观测领域广泛应用，由于使用条件特殊，对产品的寿命和可靠性提出极高需求。本发明专利技术针对现有压电指向调节机构单个压电堆工作电压较高，由于单个压电堆击穿导致整个机构失效的缺点，提出一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法，通过压电堆串联安装之后再进行差分驱动的工作方式，实现压电堆工作电压、工作电流、热耗大幅降低，压电堆工作寿命大幅度提高。通过在所有压电堆表面粘接电阻应变片，组成应变全桥来实现偏转角度的测量。当偏转轴下某一压电堆击穿或某一偏转轴向下不同压电支撑单元各有一个压电堆击穿时，驱动单元和应变测量单元仍能够正常工作，提高产品的可靠性。靠性。靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法


[0001]本专利技术属于光束调节控制领域，具体描述了一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法。

技术介绍

[0002]光束指向调节机构通常驱动镜片实现光束的反射调节，通常也称为快反镜。指向调节机构常用的驱动元件为压电陶瓷和音圈电机，根据驱动元件的类别可以分为压电型指向调节机构和电磁式指向调节机构。由于压电类指向机构具有尺寸小、指向精度高、重量轻、发热量小等优点，获得了广泛得应用。常规压电指向调节机构根据所需要的偏转范围，选择不同行程的压电堆。以四点支撑的压电精指向机构为例，单轴偏转需要用到两个压电堆，通过两个压电堆差分驱动的方式实现绕某一轴的偏转。通过结构设计上的双轴解耦，四个压电堆实现可实现机构的二维的偏转。
[0003]压电堆是电容性负载，压电堆失效形式主要表现为压电堆的击穿，压电堆的失效通常造成功率驱动电路的短路。现有的压电精指向机构，无论是三点支撑还是四点支撑的二维指向调节机构，以及两点支撑的一维调节指向调节机构，一旦压电堆电击穿失效，结构的调节能力就会丧失。由于电路的短路，往往造成驱动器的过流甚至破坏。压电指向调节机构经常应用于高精密光学系统，如卫星激光通信终端，天文光学成像稳定系统中，产品几乎不具备维修性，对所使用的指向调节产品提出了极高的可靠性要求。然而，现有的压电光束调节机构设计方式很难保证高可靠性，因此，单个压电堆的击穿失效可能会付出高昂的代价。针对现有压电指向调节机构往往会采用整体备份的方式，这样会增大所在系统的质量、体积，驱动电路以及控制软件的研制成本，在某些有空间或重量等因素限制的条件下是不允许的。

技术实现思路

[0004]为了弥补现有压电指向调节机构上述缺点，本专利技术提出了一种高可靠性压电指向调节机构及其实现方法，可有效的提高产品的可靠性，该技术可应用于指向调节机构，同时可以应用到以压电堆为驱动元件做线性位移输出控制的同类装置中。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种高可靠性压电指向调节机构，包括含有柔性环的一体化外壳1，含有柔性环的一体化外壳1与底座6同心安装并固定连接，第一压电驱动单元3、第二压电驱动单元12、第三压电驱动单元13、第四压电驱动单元2固定在底座6上，绕底座上安装面圆心90
°
阵列粘接固定；第一压电驱动单元3、第二压电驱动单元12、第三压电驱动单元13和第四压电驱动单元2结构相同，所述第一压电驱动单元3包括第一缓冲球3.1、第一金属垫片3.2、第一电阻应变片3.3、第二电阻应变片3.4、第一压电堆3.5、第三电阻应变片3.6、第四电阻应变片3.7、第二压电堆3.8；第一压电驱动单元3内部连接关系为：第一缓冲球3.1通过与含柔性环的一体化机壳1相连接，位置由含柔性环的一体化机壳1内部锥形槽约束，第一缓冲球3.1通过含
柔性环的一体化机壳安装受力与第一金属垫片3.2接触，第一电阻应变片3.3和第二电阻应变片3.4粘贴在第一压电堆3.5相对的两个光滑面上，居中粘接，第三电阻应变片3.6和第四电阻应变片3.7粘接在第二压电堆3.8 相对的两个光滑面上，居中粘接；第一压电堆3.5和第二压电堆3.8叠层放置且两个电极面对齐放置；
[0007]第一压电驱动单元3和第三压电驱动单元13工作输出的偏转方向为X轴，第二压电驱动单元12和第四压电驱动单元2偏转方向为Y轴。
[0008]含有柔性环的一体化外壳1经过第一定位销5、第二定位销7和第三定位销 10实现与底座6的同心安装，通过第一紧定螺钉4、第二紧定螺钉8、第三紧定螺钉9和第四紧定螺钉11和底座连接并固定。
[0009]含有柔性环的一体化外壳1内部有锥形孔，定位方式与底座上安装的四个压电驱动单元一一对应。
[0010]X轴和Y轴二维偏转的驱动信号独立控制，X轴和Y轴双轴驱动电路接线方式相同；同一偏转轴X或Y下的两个驱动单元差分驱动，每个驱动驱动叠层放置的压电堆串联；
[0011]第一压电驱动单元3的第一压电堆3.5的正极接固定高压信号+HV，第一压电堆3.5的负极和第二压电堆3.8的正极连接，第二压电堆3.8的负极和外部驱动信号Vin_X连接，第二压电堆3.8的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第三压电驱动单元13中的第五压电堆的13.4的正极连接，第五压电堆的 13.4的负极与第六压电堆13.7的正极连接，第六压电堆13.7的负极与固定负信号
‑
HV连接；控制外部驱动信号Vin_X在
‑
HV至+HV之间变化，实现X下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕X轴的偏转；
[0012]所述Y轴下压电驱动单元的电气连接方式与X轴的类似，第二压电驱动单元12的第三压电堆12.5的正极接固定高压信号+HV，第三压电堆12.5的负极和第四压电堆12.8的正极连接，第四压电堆12.8的负极和外部驱动信号Vin_Y连接，第四压电堆12.8的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第四压电驱动单元2中的第七压电堆的2.4的正极连接，第七压电堆的2.4的负极与第八压电堆2.7的正极连接，第八压电堆2.7的负极与固定负信号
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HV；控制外部驱动信号Vin_Y在
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HV至+HV之间变化，实现Y下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕Y轴的偏转。
[0013]X轴下的两个压电堆的八个电阻应变片组成X轴偏转测量应变全桥，所述X 轴偏转测量应变电桥包括依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8；第二电阻R2和第三电阻R3间接电压负极，第六电阻R6和第七电阻R7间接电压负极，第一电阻R1和第八电阻R8间接桥路激励电压正极，第四电阻R4和第五电阻R5间接桥路激励电压负极；
[0014]测量绕X轴偏转时，第一压电驱动单元3上的第一电阻应变片3.3、第二电阻应变片3.4、第三电阻应变片3.6、第四电阻应变片3.7和第三压电驱动单元13 上的第九电阻应变片13.3、第十电阻应变片13.4、第十一电阻应变片13.6、第十二电阻应变片13.7组成X轴偏转测量应变电桥，第一电阻应变片3.3位于第一电阻R1位置，第二电阻应变片3.4位于第六电阻R6位置，第三电阻应变片3.6位于第二电阻R2位置，第四电阻应变片3.7位于第五电阻R5位置，第九电阻应变片13.3位于第三电阻R3位置，第十电阻应变片13.4位于第八电阻R8位置，第十一电阻应变片13.6位于第四电阻R4位置，第十二电阻应变片13.7位于第七电阻R7位置；同一桥臂上的电阻应变片电气连接位置能够互换。
[0015]测量绕Y轴偏转时，第二压电驱动单元12上的电阻应变片和第四压电驱动单元2上的电阻应变片组成的Y轴偏转测量应变电桥，Y轴偏转测量应变电桥的组成以及与第二压电驱动单元12上的电阻应变片和第四压电驱动单元2上的电阻应变片的对应关系与X轴偏转测量应变全桥相同。
[0016]所述的一种高可靠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性压电指向调节机构，其特征在于：包括含有柔性环的一体化外壳(1)，含有柔性环的一体化外壳(1)与底座(6)同心安装并固定连接，第一压电驱动单元(3)、第二压电驱动单元(12)、第三压电驱动单元(13)、第四压电驱动单元(2)固定在底座(6)上，绕底座上安装面圆心90
°
阵列粘接固定；第一压电驱动单元(3)、第二压电驱动单元(12)、第三压电驱动单元(13)和第四压电驱动单元(2)结构相同，所述第一压电驱动单元(3)包括第一缓冲球(3.1)、第一金属垫片(3.2)、第一电阻应变片(3.3)、第二电阻应变片(3.4)、第一压电堆(3.5)、第三电阻应变片(3.6)、第四电阻应变片(3.7)、第二压电堆(3.8)；第一压电驱动单元(3)内部连接关系为：第一缓冲球(3.1)通过与含柔性环的一体化机壳(1)相连接，位置由含柔性环的一体化机壳(1)内部锥形槽约束，第一缓冲球(3.1)通过含柔性环的一体化机壳安装受力与第一金属垫片(3.2)接触，第一电阻应变片(3.3)和第二电阻应变片(3.4)粘贴在第一压电堆(3.5)相对的两个光滑面上，居中粘接，第三电阻应变片(3.6)和第四电阻应变片(3.7)粘接在第二压电堆(3.8)相对的两个光滑面上，居中粘接；第一压电堆(3.5)和第二压电堆(3.8)叠层放置且两个电极面对齐放置；第一压电驱动单元(3)和第三压电驱动单元(13)工作输出的偏转方向为X轴，第二压电驱动单元(12)和第四压电驱动单元(2)偏转方向为Y轴。2.根据权利要求1所述的一种高可靠性压电指向调节机构，其特征在于：含有柔性环的一体化外壳(1)经过第一定位销(5)、第二定位销(7)和第三定位销(10)实现与底座(6)的同心安装，通过第一紧定螺钉(4)、第二紧定螺钉(8)、第三紧定螺钉(9)和第四紧定螺钉(11)和底座连接并固定。3.根据权利要求1所述的一种高可靠性压电指向调节机构，其特征在于：含有柔性环的一体化外壳(1)内部有锥形孔，定位方式与底座上安装的四个压电驱动单元一一对应。4.根据权利要求1所述的一种高可靠性压电指向调节机构，其特征在于：X轴和Y轴二维偏转的驱动信号独立控制，X轴和Y轴双轴驱动电路接线方式相同；同一偏转轴X或Y下的两个驱动单元差分驱动，每个压电驱动单元中用于驱动的压电堆叠层放置，且叠层的两个压电堆电气上串联；第一压电驱动单元(3)的第一压电堆(3.5)的正极接固定高压信号+HV，第一压电堆(3.5)的负极和第二压电堆(3.8)的正极连接，第二压电堆(3.8)的负极和外部驱动信号Vin_X连接，第二压电堆(3.8)的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第三压电驱动单元(13)中的第五压电堆的(13.4)的正极连接，第五压电堆的(13.4)的负极与第六压电堆(13.7)的正极连接，第六压电堆(13.7的负极与固定负信号
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HV连接；控制外部驱动信号Vin_X在
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HV至+HV之间变化，实现X下两个驱动单元的的差分式驱动，实现绕X轴的偏转；所述Y轴下压电驱动单元的电气连接方式与X轴的类似，第二压电驱动单元(12)的第三压电堆(12.5)的正极接固定高压信号+HV，第三压电堆(12.5)的负极和第四压电堆(12.8)的正极连接，第四压电堆(12.8)的负极和外部驱动信号Vin_Y连接，第四压电堆(12.8)的负极同时与同一偏转轴下的另一个压电驱动单元即第四压电驱动单元(2)中的第七压电堆的(2.4)的正极连接，第七压电堆的(2.4)的负极与第八压电堆(2.7)的正极连接，第八压电堆(2.7)的负极与固定负信号
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HV；控制外部驱动信号Vin_Y在
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HV至...

【专利技术属性】
技术研发人员：田征，徐明龙，周建，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：