[发明专利]一种压电驱动的高精度光学偏转伺服装置及其工作方式

权利要求书

1.一种压电驱动的高精度光学偏转伺服装置，其特征在于，包括内环、中环、外环、以及第一至第四偏转驱动单元；

所述内环、中环、外环由内至外依次设置且圆心重合，内环用于搭载需要进行角度调整的光学装置，中环的内壁上对称设有第一、第二圆形凹槽，外环的内壁上对称设有第三、第四圆形凹槽；

所述第一至第四偏转驱动单元结构相同，一一对应设置在所述第一至第四圆形凹槽中，均包含转轴、膜片弹簧、转子、压电振子和轴承；

所述转轴包含受力部和转动部，受力部为正四棱柱，转动部为圆柱，受力部端面的边长大于等于转动部的直径，且受力部和转动部同轴固连；

所述轴承设置在对应的圆形凹槽中，外圈和对应圆形凹槽的侧壁固连，内圈能够自由转动；

所述压电振子包含基体、2n个压电驱动模块，n为大于等于1的自然数；

所述基体包含振动部、连接部和固定部；所述振动部呈环状，其下端面周向均匀设有4n个矩形凹槽，上端面周向设有若干驱动齿；所述矩形凹槽均指向振动部圆心，外侧封闭、内侧开口；所述连接部呈环状，厚度小于振动部矩形凹槽底壁和驱动齿所在端面之间的距离，且连接部的外壁和振动部矩形凹槽底壁和驱动齿所在端面之间的内壁固连，使得连接部和振动部同轴；所述固定部外径小于振动部内径，固定部内径等于连接部内径，固定部一端和连接部远离驱动齿的一端同轴固连，且固定部的另一端从振动部内伸出；

所述2n个压电驱动模块中，每个压电驱动模块包含2个压电驱动单元，4n个压电驱动单元依次一一对应设置在所述4n个矩形凹槽中；

所述压电驱动单元包含m个压电陶瓷片对、第一楔块和第二楔块，m为大于等于1的自然数；

所述压电陶瓷片对呈夹心结构，包含两个压电陶瓷片以及位于两个压电陶瓷片之间的电极片，所述两个压电陶瓷片均沿厚度方向极化；

所述m个压电陶瓷片对依次相叠设置在对应的矩形凹槽中，相邻压电陶瓷片对之间设置电极片，且第一个压电陶瓷片对和对应矩形凹槽的侧壁之间设置电极片；

所述第一楔块、第二楔块均为三角形楔块，第一楔块、第二楔块斜面相抵后设置在第m个压电陶瓷片和对应矩形凹槽的侧壁之间，其中，第二楔块一个平面和对应矩形凹槽的底面相抵、另一个平面和第m个压电陶瓷片之间设有电极片；所述第一楔块一部分位于对应矩形凹槽外，通过调节第一楔块插入对应矩形凹槽的深度来调节m个压电陶瓷片对之间的压力大小；

每个压电驱动模块中，各个压电驱动单元的压电陶瓷片对中两个压电陶瓷片的极化方向均同时相向或相背，且相邻压电驱动模块中各个压电驱动单元的压电陶瓷片对中两个压电陶瓷片的极化方向相反；

令所述m个压电陶瓷片对中的电极片为第一电极片组，相邻压电陶瓷片对之间的电极片、第一个压电陶瓷片对和对应矩形凹槽的侧壁之间的电极片、第二楔块和第m个压电陶瓷片对之间的电极片为第二电极片组；所述第一电极片组接外部激励信号，第二电极片组接地；

所述基体固定部伸出振动部的一端固定在圆心凹槽所在的内壁上，使得基体振动部和轴承同轴；

所述转子为中心设有和所述转轴受力部相匹配的通孔的圆盘，其一个端面设有摩擦材料层、和所述基体振动部上的各个驱动齿相抵，另一个端面粘贴减震片后和所述膜片弹簧大口径一端相抵；

所述转轴的转动部由膜片弹簧小口径一端穿入，依次穿过转子、压电振子中心的通孔后和轴承的内圈同轴固连，使得转轴的受力部和转子中心的通孔相配合；

所述膜片弹簧套在转轴外，其小口径一段和转轴受力部固定处相抵，为转子施加预压力，使转子与压电振子压紧；

所述第一、第二偏转驱动单元的转轴同轴，且第一、第二偏转驱动单元转轴的受力部均和内环外壁相连，用于驱动内环相对中环转动；所述第三、第四偏转驱动单元的转轴同轴，且第三、第四偏转驱动单元转轴的受力部均和中环外壁相连，用于驱动中环相对外环转动；所述第一偏转驱动单元转轴的轴线垂直于第三偏转驱动单元转轴的轴线。

2.根据权利要求1所述的压电驱动的高精度光学偏转伺服装置，其特征在于，所述矩形凹槽的厚度为振动部厚度的一半。

3.基于权利要求1所述的压电驱动的高精度光学偏转伺服装置的偏转驱动单元驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

如果需要正向转动：

对每个压电驱动模块的第一个压电驱动单元施加预设的第一交流电压信号、第二个压电驱动单元施加预设的第二交流电压信号，第一交流电压信号、第二交流电压信号的频率均等于压电振子的共振频率，相位相差+90°；则压电振子分别被激发出两相面外弯曲振动的驻波，且两相驻波空间上相差四分之一个波长；两相驻波合成行波，使得压电振子驱动齿表面的质点进行椭圆运动，由于压电振子上的驱动齿和转子端面上的摩擦材料层存在摩擦作用，压电振子驱动齿表面质点的微观椭圆运动被转化成转子的宏观转动，进而带动转轴进行转动；

如果需要反向转动，调整第一交流电压信号、第二交流电压信号使其相位差为-90°即可；

如果需要提高转轴的输出力矩，提高第一交流电压信号、第二交流电压信号的幅值即可。