CN106066536A - 一种光电‑压电‑静电驱动的微镜微调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电‑压电‑静电复合驱动微镜微调节装置，其中X、Y方向位移微调节机构是由光电‑压电复合驱动。光电陶瓷在紫外光源照射下产生光生电压，通过导线将电荷导引到层合在固支梁两端的压电薄膜电极上，压电薄膜输出力在固支梁两端转化为弯矩使固支梁中心挠度发生变化，通过柔性铰链推动位移微调节平台沿滚珠导轨平移。旋转轴沿X、Y方向俯仰调节机构是由光电‑静电复合驱动，光电陶瓷在紫外光源的照射下产生电压，通过导线将电荷引入到俯仰调节机构，通过静电吸附实现反射镜俯仰偏转。本发明的光电‑压电‑静电复合驱动微镜微调节装置结构简单紧凑，可以多自由度调节并且具备非接触式控制、响应速度快、避免电磁干扰等特点。

Description

一种光电-压电-静电驱动的微镜微调节装置

技术领域

本发明涉及一种微镜微调节驱动装置，特别是一种光电-压电-静电复合驱动的微镜微调节装置。

背景技术

微镜被广泛应用于光学仪器、光存储器、投影仪和扫描仪等设备中。近年来，通过对微镜配备不同功能的驱动装置，可以实现对入射光强度和相位的调制以及光路的选通，使得微镜具有光开关、自适应光学校正等功能。传统的微镜调节装置采用精密丝杆副及滚动导轨、精密螺旋楔块机构、蜗轮-蜗杆机构、齿轮-杠杆式机构等机械传动式驱动，由于机械摩擦、间隙、爬行等原因，很难一次性定位成功，往往需要进行微调节。对于压电驱动、电磁驱动、电热驱动和静电驱动的微镜微调节机构，需要导线连接，易受到电磁噪声干扰。对于真空或者特定操作环境下，我们无法直接操作控制，需要一种非接触式控制装置。

本课题组之前申报的专利号为201310442565.0的发明专利公开了一种光电陶瓷驱动的微镜微调装置，该装置利用光电陶瓷的光致形变效应驱动微镜进行微调节，可以直接将光能转化机械能，驱动微镜平移和旋转，使结构更加紧凑，但是该装置在响应速度方面有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电-压电-静电复合驱动的微镜微调节装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光电-压电-静电驱动的微镜微调节装置，包括粗动台、Y方向压电薄膜驱动器一、光电陶瓷、Y方向固支梁放大机构、Y方向柔性铰链、Y方向光电陶瓷、Y方向压电薄膜驱动器二、Y方向位移微调节平台、X方向压电薄膜驱动器一、X方向柔性铰链、X方向固支梁放大机构、X方向光电陶瓷一、X方向滚珠导轨、X方向压电薄膜驱动器二、X方向光电陶瓷二、Y方向滚珠导轨机构、X方向位移微调节平台；

粗动台上设置Y方向固支梁放大机构，该Y方向固支梁放大机构的两端固连在粗动台上表面，Y方向固支梁放大机构的一侧层合Y方向压电薄膜驱动器一和Y方向压电薄膜驱动器二，该两个压电薄膜驱动器位于Y方向固支梁放大机构的两端，Y方向固支梁放大机构的另一侧固连Y方向柔性铰链，光电陶瓷和Y方向光电陶瓷均位于粗动台上，其中光电陶瓷和Y方向压电薄膜驱动器一相串联，Y方向光电陶瓷和Y方向压电薄膜驱动器二相串联，粗动台上设置Y方向滚珠导轨机构，该滚珠导轨机构包括两条相互平行的导轨，Y方向位移微调节平台位于Y方向滚珠导轨机构上并与Y方向柔性铰链的另一端固连，该Y方向位移微调节平台在Y方向柔性铰链的驱动下沿Y方向滚珠导轨机构平移；

Y方向位移微调节平台上设置X方向固支梁放大机构，该X方向固支梁放大机构的两端固连在Y方向位移微调节平台的上表面，X方向固支梁放大机构的一侧层合X方向压电薄膜驱动器一和X方向压电薄膜驱动器二，该两个压电薄膜驱动器位于X方向固支梁放大机构的两端，X方向固支梁放大机构的另一侧固连X方向柔性铰链，设置在粗动台上的X方向光电陶瓷一和X方向光电陶瓷二分别与X方向压电薄膜驱动器一、X方向压电薄膜驱动器二串联，Y方向位移微调节平台上设置两条相互平行的X方向滚珠导轨，X方向位移微调节平台位于X方向滚珠导轨上，该X方向位移微调节平台与X方向柔性铰链的另一端固连，并且在X方向柔性铰链的驱动下沿X方向滚珠导轨平移，X方向位移微调节平台上装有两个微镜俯仰调节机构。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的光电-压电-静电复合驱动的微镜微调节装置利用光电陶瓷的光生电压效应以及压电薄膜的逆压电效应，使光能直接转化为机械能，取消了中间机械传动环节，使结构简单紧凑；2)本发明的装置的驱动源为紫外光，可实现光控非接触式驱动，避免了电磁噪声干扰，适用于各种介质环境工作；3)本发明利用的光电陶瓷的光生电压效应相比于光致伸缩效应，响应速度更快。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为光电-压电-静电复合驱动微镜微调节装置立体图。

图2为光电-压电-静电复合驱动微镜微调节装置平面示意图。

图3为滚动导轨机构示意图。

图4为光照前光电-压电复合驱动微位移调节装置示意图。

图5为光照后光电-压电复合驱动微位移调节装置示意图。

图6为俯仰机构光电-静电复合驱动装置示意图。

图中标号所代表的含义为：1.粗动台、2.Y方向压电薄膜驱动器一、3.方向光电陶瓷一、4.Y方向固支梁放大机构、5.Y方向柔性铰链、6.Y方向光电陶瓷二、7.Y方向压电薄膜驱动器二、8.Y方向位移微调节平台、9.X方向压电薄膜区动器一、10.X方向柔性铰链、11.X方向固支梁放大机构、12.X方向光电陶瓷一，13.X方向滚珠导轨、14.X方向压电薄膜二、15.X方向光电陶瓷二、16.Y方向滚珠导轨、17.X方向位移微调节平台、18.旋转轴沿Y方向俯仰机构电极一、19.旋转轴沿Y方向俯仰机构反射镜、20.旋转轴沿X方向俯仰机构电极二、21.旋转轴沿Y方向俯仰机构电极二、22.旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷、23.旋转轴沿X方向俯仰机构反射镜、24.旋转轴沿X方向俯仰机构电极一、25.旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种光电-压电-静电驱动的微镜微调节装置，包括粗动台1、Y方向压电薄膜驱动器一2、光电陶瓷3、Y方向固支梁放大机构4、Y方向柔性铰链5、Y方向光电陶瓷6、Y方向压电薄膜驱动器二7、Y方向位移微调节平台8、X方向压电薄膜驱动器一9、X方向柔性铰链10、X方向固支梁放大机构11、X方向光电陶瓷一12、X方向滚珠导轨13、X方向压电薄膜驱动器二14、X方向光电陶瓷二15、Y方向滚珠导轨机构16、X方向位移微调节平台17；

粗动台1上设置Y方向固支梁放大机构4，该Y方向固支梁放大机构的两端固连在粗动台1上表面，Y方向固支梁放大机构4的一侧层合Y方向压电薄膜驱动器一2和Y方向压电薄膜驱动器二7，该两个压电薄膜驱动器位于Y方向固支梁放大机构4的两端，Y方向固支梁放大机构4的另一侧固连Y方向柔性铰链5，光电陶瓷3和Y方向光电陶瓷6均位于粗动台1上，其中光电陶瓷3和Y方向压电薄膜驱动器一2相串联，Y方向光电陶瓷6和Y方向压电薄膜驱动器二7相串联，粗动台1上设置Y方向滚珠导轨机构16，该滚珠导轨机构包括两条相互平行的导轨，Y方向位移微调节平台8位于Y方向滚珠导轨机构16上并与Y方向柔性铰链5的另一端固连，该Y方向位移微调节平台8在Y方向柔性铰链5的驱动下沿Y方向滚珠导轨机构16平移；

Y方向位移微调节平台8上设置X方向固支梁放大机构11，该X方向固支梁放大机构11的两端固连在Y方向位移微调节平台8的上表面，X方向固支梁放大机构11的一侧层合X方向压电薄膜驱动器一9和X方向压电薄膜驱动器二14，该两个压电薄膜驱动器位于X方向固支梁放大机构11的两端，X方向固支梁放大机构11的另一侧固连X方向柔性铰链10，设置在粗动台1上的X方向光电陶瓷一12和X方向光电陶瓷二15分别与X方向压电薄膜驱动器一9、X方向压电薄膜驱动器二14串联，Y方向位移微调节平台8上设置两条相互平行的X方向滚珠导轨13，X方向位移微调节平台17位于X方向滚珠导轨13上，该X方向位移微调节平台17与X方向柔性铰链10的另一端固连，并且在X方向柔性铰链10的驱动下沿X方向滚珠导轨13平移，X方向位移微调节平台17上装有两个微镜俯仰调节机构。

所述X方向位移微调节平台17上的两个微镜俯仰调节机构中，一个俯仰调节机构的旋转轴是沿X方向，另一个俯仰调节机构的旋转轴是沿Y方向。

所述旋转轴沿Y方向的微镜俯仰调节机构包括旋转轴沿Y方向俯仰机构电极一18、旋转轴沿Y方向俯仰机构反射镜19、旋转轴沿Y方向俯仰机构电极二21；旋转轴沿X方向的微镜俯仰调节机构包括旋转轴沿X方向俯仰机构电极一20、旋转轴沿X方向俯仰机构反射镜23、旋转轴沿X方向俯仰机构电极二24；

旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷22、旋转轴沿X方向俯仰机构光电陶瓷25均设置在粗动台1上，旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷22的一端电极与旋转轴沿Y方向俯仰机构电极二21、旋转轴沿Y方向俯仰机构反射镜19相连，旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷22的另一端与旋转轴沿Y方向俯仰机构电极一18相连；

旋转轴沿X方向俯仰机构光电陶瓷25的一端电极与旋转轴沿X方向俯仰机构反射镜23、旋转轴沿X方向俯仰机构电极二24相连，旋转轴沿X方向俯仰机构光电陶瓷25的另一端电极与旋转轴沿X方向俯仰机构电极一20相连。

下面进行更详细的描述：

结合图1、图2，本发明的一种光电陶瓷驱动的微镜微调节装置，适用于微镜的非接触式远程光控领域，尤其适用于易受电磁干扰的微镜微调节机构。该装置包括粗动台、Y方向位移微调节机构、X方向位移微调节机构、旋转轴沿Y方向的俯仰调节机构、旋转轴沿X方向的俯仰调节机构、线性滚珠导轨。粗动台、Y方向位移微调节平台和X方向位移微调节平台通过滚动导轨相互叠加在一起。旋转轴沿Y方向俯仰调节机构及旋转轴沿Y方向的俯仰调节机构均位于X方向位移微调节平台上。

Y方向位移微调节光电陶瓷3和6，X方向位移微调节光电陶瓷12和15，俯仰调节机构光电陶瓷22和25均布置在粗动台1上，光源照射方向不需要随着X、Y方向位移微调节平台的变化而改变。

结合图2、图3、图4和图5，Y方向位移微调节机构和X方向位移微调节机构是通过光电-压电复合驱动。Y方向光电陶瓷3和6，在紫外光源的照射下产生光生电压，并通过导线将电荷引入到层合在Y方向固支梁4两端的压电薄膜驱动器2和7的正负电极上，由于逆压电效应，压电薄膜产生的薄膜力使固支梁4的中心挠度发生改变，并将压电薄膜产生的应变放大，通过柔性铰链5推动Y方向位移调整平台8沿滚珠导轨16平移。

同理，X方向光电陶瓷12和15，在紫外光源照射下产生光生电压，并通过导线将电荷引入到层合在X方向固支梁11两端的压电薄膜驱动器9和14的正负电极上，由于逆压电效应，压电薄膜产生的薄膜力使固支梁11的中心挠度发生改变，并将压电薄膜产生的应变放大，通过X方向柔性铰链10推动X方向位移调整平台17沿滚珠导轨13平移。

结合图6，旋转轴沿Y方向俯仰调节机构光电陶瓷22，在紫外光源照射下产生光生电压，并通过导线将电荷引入到旋转轴沿Y方向俯仰机构电极18和21以及反射镜19上，其中电极21和反射镜19带同种电荷，电极18和反射镜19带异种电荷。在静电吸附的作用下，实现反射镜19的俯仰调节。

同理，旋转轴沿X方向俯仰调节机构光电陶瓷25，在紫外光源照射下产生光生电压，并通过导线将电荷引入到旋转轴沿Y方向俯仰机构电极20和24以及反射镜23上，其中电极24和反射镜23带同种电荷，电极20和反射镜23带异种电荷。在静电吸附的作用下，实现反射镜23的俯仰调节。

由上可知，本发明的光电-压电-静电复合驱动的微镜微调节装置利用光电陶瓷的光生电压效应以及压电薄膜的逆压电效应，使光能直接转化为机械能，取消了中间机械传动环节，使结构简单紧凑；本发明的装置的驱动源为紫外光，可实现光控非接触式驱动，避免了电磁噪声干扰，适用于各种介质环境工作。

Claims (3)

1.一种光电-压电-静电驱动的微镜微调节装置，其特征在于，包括粗动台[1]、Y方向压电薄膜驱动器一[2]、光电陶瓷[3]、Y方向固支梁放大机构[4]、Y方向柔性铰链[5]、Y方向光电陶瓷[6]、Y方向压电薄膜驱动器二[7]、Y方向位移微调节平台[8]、X方向压电薄膜驱动器一[9]、X方向柔性铰链[10]、X方向固支梁放大机构[11]、X方向光电陶瓷一[12]、X方向滚珠导轨[13]、X方向压电薄膜驱动器二[14]、X方向光电陶瓷二[15]、Y方向滚珠导轨机构[16]、X方向位移微调节平台[17]；

粗动台[1]上设置Y方向固支梁放大机构[4]，该Y方向固支梁放大机构的两端固连在粗动台[1]上表面，Y方向固支梁放大机构[4]的一侧层合Y方向压电薄膜驱动器一[2]和Y方向压电薄膜驱动器二[7]，该两个压电薄膜驱动器位于Y方向固支梁放大机构[4]的两端，Y方向固支梁放大机构[4]的另一侧固连Y方向柔性铰链[5]，光电陶瓷[3]和Y方向光电陶瓷[6]均位于粗动台[1]上，其中光电陶瓷[3]和Y方向压电薄膜驱动器一[2]相串联，Y方向光电陶瓷[6]和Y方向压电薄膜驱动器二[7]相串联，粗动台[1]上设置Y方向滚珠导轨机构[16]，该滚珠导轨机构包括两条相互平行的导轨，Y方向位移微调节平台[8]位于Y方向滚珠导轨机构[16]上并与Y方向柔性铰链[5]的另一端固连，该Y方向位移微调节平台[8]在Y方向柔性铰链[5]的驱动下沿Y方向滚珠导轨机构[16]平移；

Y方向位移微调节平台[8]上设置X方向固支梁放大机构[11]，该X方向固支梁放大机构[11]的两端固连在Y方向位移微调节平台[8]的上表面，X方向固支梁放大机构[11]的一侧层合X方向压电薄膜驱动器一[9]和X方向压电薄膜驱动器二[14]，该两个压电薄膜驱动器位于X方向固支梁放大机构[11]的两端，X方向固支梁放大机构[11]的另一侧固连X方向柔性铰链[10]，设置在粗动台[1]上的X方向光电陶瓷一[12]和X方向光电陶瓷二[15]分别与X方向压电薄膜驱动器一[9]、X方向压电薄膜驱动器二[14]串联，Y方向位移微调节平台[8]上设置两条相互平行的X方向滚珠导轨[13]，X方向位移微调节平台[17]位于X方向滚珠导轨[13]上，该X方向位移微调节平台[17]与X方向柔性铰链[10]的另一端固连，并且在X方向柔性铰链[10]的驱动下沿X方向滚珠导轨[13]平移，X方向位移微调节平台[17]上装有两个微镜俯仰调节机构。

2.根据权利要求1所述的光电-压电-静电驱动的微镜微调节装置，其特征在于，X方向位移微调节平台[17]上的两个微镜俯仰调节机构中，一个俯仰调节机构的旋转轴是沿X方向，另一个俯仰调节机构的旋转轴是沿Y方向。

3.根据权利要求2所述的光电-压电-静电驱动的微镜微调节装置，其特征在于，旋转轴沿Y方向的微镜俯仰调节机构包括旋转轴沿Y方向俯仰机构电极一[18]、旋转轴沿Y方向俯仰机构反射镜[19]、旋转轴沿Y方向俯仰机构电极二[21]；旋转轴沿X方向的微镜俯仰调节机构包括旋转轴沿X方向俯仰机构电极一[20]、旋转轴沿X方向俯仰机构反射镜[23]、旋转轴沿X方向俯仰机构电极二[24]；

旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷[22]、旋转轴沿X方向俯仰机构光电陶瓷[25]均设置在粗动台[1]上，旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷[22]的一端电极与旋转轴沿Y方向俯仰机构电极二[21]、旋转轴沿Y方向俯仰机构反射镜[19]相连，旋转轴沿Y方向俯仰机构光电陶瓷[22]的另一端与旋转轴沿Y方向俯仰机构电极一[18]相连；

旋转轴沿X方向俯仰机构光电陶瓷[25]的一端电极与旋转轴沿X方向俯仰机构反射镜[23]、旋转轴沿X方向俯仰机构电极二[24]相连，旋转轴沿X方向俯仰机构光电陶瓷[25]的另一端电极与旋转轴沿X方向俯仰机构电极一[20]相连。