阅读说明：本技术 一种压电驱动的一体式光阑 (Piezoelectricity driven integral type diaphragm ) 是由 吴大伟 曹腾 李晓牛 米源 何丽媛 刘威 贾博韬 于 2019-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种压电驱动的一体式光阑,通过压电陶瓷的逆压电效应,施加两相电压使定圈外凸台产生行波,定圈驱动齿与动圈直接接触,通过摩擦效应将驱动齿处的椭圆运动转换为动圈的转动动圈转动,通过改变电压的相位差可以实现动圈的反向运动；动圈、固定壳体底面和滚珠三者构成轴承,避免装配额外的轴承,减小了装置的尺寸；光阑叶片与动圈通过铰接连接,与定圈内圈通过滑槽连接,由动圈的转动控制叶片单周向运动,多个叶片相互交错形成圆形的可变光圈；底盖与定圈和外壳通过螺栓连接,起到施加预压力的作用。本发明减小了光阑的体积,具有调节精度高、响应快、平稳度高和可靠性强的特点。(the invention discloses a piezoelectric-driven integrated diaphragm.A two-phase voltage is applied to enable a fixed-ring outer boss to generate a traveling wave through the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramics, a fixed-ring driving tooth is directly contacted with a moving ring, the elliptic motion at the driving tooth is converted into the rotation of the rotating moving ring of the moving ring through the friction effect, and the inverse motion of the moving ring can be realized through changing the phase difference of the voltage; the moving coil, the bottom surface of the fixed shell and the balls form a bearing, so that the assembly of an additional bearing is avoided, and the size of the device is reduced; the diaphragm blades are hinged with the movable ring and connected with the inner ring of the fixed ring through a chute, the blades are controlled to move in a single circumferential direction by the rotation of the movable ring, and the blades are staggered with each other to form a circular variable aperture; the bottom cover is connected with the fixed ring and the shell through bolts, and the function of applying pre-pressure is achieved. The invention reduces the volume of the diaphragm, and has the characteristics of high adjusting precision, quick response, high stability and strong reliability.)

一种压电驱动的一体式光阑

技术领域

本发明涉及航空航天领域，尤其涉及一种压电驱动的一体式光阑。

背景技术

精密摄像机、照相机已被广泛的应用于太空站、航天飞机、宇宙飞船等重要设备中，用于采集图像等各种信息。而由于天气、光照角度、拍摄目标的不同，会使入射光的强度产生很大的变化，严重影响相机对目标信息的采集，例如：分辨率低，清晰度低，对比度低等。光阑作为一种调光系统可以通过改变光圈的大小调节入射光的光照强度，最大限度的提高信息采集的质量。

现有技术中，主要存在两种间接驱动方法驱动动圈旋转。

首先是以步进电机作为动力源，通过蜗轮蜗杆间接驱动动圈，动圈通过铰接带动光阑叶片移动，实现通光孔的放大、缩小。步进电机尺寸大，全体为金属，使调光系统的整体尺寸和重量增加，结构复杂，并且有电磁干扰，对于一些电磁波敏感器件有很大影响。

另一种是以超声电机作为驱动源，中国专利CN102751906B表述了一种螺纹式空心旋转型行波超声电机，该发明采用超声电机的工作原理，将定子与动子以内外螺纹连接，随着动子的转动，定子与动子摩擦面之间的压力减小，不利于精密驱动；中国专利CN201721023112表述了一种基于超声电机驱动的可变光阑调光装置，该实用新型通过超声电机和精密交叉滚柱轴环的配合驱动光阑拨杆调节光圈大小，但其所占空间较大，连接部件较多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有光阑零件多、结构复杂、尺寸大、重量大的技术问题，本发明提供一种压电驱动的一体式光阑，将超声电机与光阑设计为一体结构，具有零件少、结构简单、组装容易、响应迅速、不产生磁场、定位精度高、断电自锁、结构紧凑、尺寸小、重量轻的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电驱动的一体式光阑，包含底盖、固定壳体、定圈、动圈、若干预紧螺栓、若干固定螺栓、若干光阑叶片、以及若干滚珠；

所述底盖、定圈、动圈均呈圆环状；

所述固定壳体为空心圆柱体，其下端开口、且下端的环面上周向均匀设有若干和所述预紧螺栓一一对应的螺栓孔，固定壳体的上端中心设有圆形通孔、形成环状的顶盖；

所述定圈的上端面在其外圈处设有第二环形凸起、在其内圈处设有第三环形凸起，所述第二环形凸起上均衡设有若干驱动齿，所述第三环形凸起上沿周向均匀设有若干和所述固定螺栓一一对应的螺纹通孔，且所述第三环形凸起上沿周向均匀设有若干和所述光阑叶片一一对应的导向滑槽；

所述底盖的上端面在其内圈处设有第一环形凸起，所述第一环形凸起上设有若干和所述固定螺栓一一对应的内圈通孔，所述底盖在其外圈处设有若干和所述预紧螺栓一一对应的外圈通孔；

所述若干固定螺栓穿过底盖上对应的内圈通孔和第三环形凸起上其对应的螺纹通孔螺纹相连，使得定圈的下端面固定在所述底盖的第一环形凸起上；

所述动圈设置在定圈和顶盖之间；动圈的上端面和顶盖的下端面上对应设有环形凹槽、形成滚珠滑道；所述若干滚珠设置在所述滚珠滑道中，使得所述动圈和顶盖之间能够自由转动；动圈的下端面和所述定圈第二环形凸起上的各个驱动齿相抵；

所述动圈在其内圈处周向均匀设有若干和所述光阑叶片一一对应的铰接孔；

所述光阑叶片为环状扇形片结构，其一端的上端面上设有铰接圆柱、另一端的下端面设有滑块圆柱；

所述若干光阑叶片设置在动圈和定圈之间、形成通光孔，其中，光阑叶片的铰接圆柱通过和动圈上对应的铰接孔相配合、使得光阑叶片能够相对动圈自由转动，光阑叶片的滑块圆柱和定圈第三环形凸起上对应的导向滑槽相配合、使得光阑叶片能够相对定圈第三环形凸起滑动；

所述若干预紧螺栓穿过所述底盖上对应的外圈通孔和所述固定壳体下端环面上对应的螺栓孔螺纹连接，使得固定壳体和底盖将动圈、定圈包含在内，所述若干预紧螺栓用于调节固定壳体下端环面和底盖之间的距离、进而调整动圈和定圈第二环形凸起上的各个驱动齿之间的预压力；

所述定圈的下端面上粘贴有环形的压电陶瓷片，所述底盖、压电陶瓷片、定圈、动圈、固定壳体同轴；

所述压电陶瓷片采用两相电压激励方式，用于接入外部信号产生振动以驱动动圈转动、进而调整通光孔的孔径大小。

作为本发明一种压电驱动的一体式光阑进一步的优化方案，所述底盖上均匀设有若干指向其圆心、由外至内逐渐变细的扇形通孔，以减轻底盖重量、且便于扇热。

作为本发明一种压电驱动的一体式光阑进一步的优化方案，所述压电陶瓷片通过树脂紧密粘贴在定圈的下端面上。

作为本发明一种压电驱动的一体式光阑进一步的优化方案，所述底盖、定圈、动圈、固定壳体、若干光阑叶片、若干预紧螺栓、若干固定螺栓均采用高分子聚合物材料制作，以减轻一体式光阑的整体质量。

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：

(1) 本发明的光阑结构简单，占用空间小。光阑将超声电机定子与光阑定圈设计为一体，直接驱动动圈带动叶片运动改变遮光孔大小，无需连杆、齿轮和丝杠等传动机构，减小了整体装置的体积和重量。

(2) 本发明的光阑以超声电机原理驱动，由于其特殊的工作原理，光阑的组成部件（压电陶瓷外除）可以使用高分子聚合物等低密度、高弹性材料制作，可以使光阑的整体质量减小一倍以上。

(3) 本发明的光阑采用超声电机工作原理，利用压电陶瓷的逆压电效应，将材料的高频机械共振，通过摩擦耦合传动转换成动子的宏观运动。本发明光阑可以达到纳米级别高精度定位，毫秒级别超快速响应，可以提高入射光的调节精度速和速度。

(4) 本发明的光阑可用于各种高精度的摄像系统用，其小尺度，轻质量，响应快，高精度的特点使其更适用于太空站、航天飞机、宇宙飞船等高速运行设备上。

附图说明

图1（a）、图1（b）、图1（c）分别是本发明一种压电驱动的一体式光阑二分之一剖结构示意图、立体结构视图、内部配合示意图；

图2（a）、图2（b）分别是本发明中定圈下端面、上端面的结构示意图；

图3（a）、图3（b）分别是本发明中动圈上端面、下端面的结构示意图；

图4（a）、图4（b）分别是本发明中底盖下端面、上端面的结构示意图；

图5是本发明中固定壳体的结构示意图；

图6是本发明中光阑叶片的结构示意图。

图中，1-底盖，2-预紧螺栓，3-压电陶瓷，4-定圈，5-光阑叶片，6-动圈，7-滚珠，8-固定壳体，9-通光孔，10-驱动齿，11-导向滑槽，12-螺纹通孔，13-定圈的下端面，14-第二环形凸台，15-第三环形凸台，16-动圈上的环形凹槽，17-底盖的上端面，18-铰接孔，19-外圈通孔，20-内圈通孔，21-固定螺栓，22-第一环形凸台，23-固定壳体上的环形凹槽，24-螺栓孔，25-铰接圆柱，26-滑块圆柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1（a）、图1（b）、图1（c）所示，本公开了一种压电驱动的一体式光阑，包含底盖、固定壳体、定圈、动圈、若干预紧螺栓、若干固定螺栓、若干光阑叶片、以及若干滚珠；

所述底盖、定圈、动圈均呈圆环状；

如图5所示，所述固定壳体为空心圆柱体，其下端开口、且下端的环面上周向均匀设有若干和所述预紧螺栓一一对应的螺栓孔，固定壳体的上端中心设有圆形通孔、形成环状的顶盖；

如图2（a）、图2（b）所示，所述定圈的上端面在其外圈处设有第二环形凸起、在其内圈处设有第三环形凸起，所述第二环形凸起上均衡设有若干驱动齿，所述第三环形凸起上沿周向均匀设有若干和所述固定螺栓一一对应的螺纹通孔，且所述第三环形凸起上沿周向均匀设有若干和所述光阑叶片一一对应的导向滑槽；

如图4（a）、图4（b）所示，所述底盖的上端面在其内圈处设有第一环形凸起，所述第一环形凸起上设有若干和所述固定螺栓一一对应的内圈通孔，所述底盖在其外圈处设有若干和所述预紧螺栓一一对应的外圈通孔；

所述若干固定螺栓穿过底盖上对应的内圈通孔和第三环形凸起上其对应的螺纹通孔螺纹相连，使得定圈的下端面固定在所述底盖的第一环形凸起上；

所述动圈设置在定圈和顶盖之间；如图3（a）、图3（b）所示，动圈的上端面和顶盖的下端面上对应设有环形凹槽、形成滚珠滑道；所述若干滚珠设置在所述滚珠滑道中，使得所述动圈和顶盖之间能够自由转动；动圈的下端面和所述定圈第二环形凸起上的各个驱动齿相抵；所述动圈在其内圈处周向均匀设有若干和所述光阑叶片一一对应的铰接孔；

如图6所示，所述光阑叶片为环状扇形片结构，其一端的上端面上设有铰接圆柱、另一端的下端面设有滑块圆柱；

所述若干光阑叶片设置在动圈和定圈之间、形成通光孔，其中，光阑叶片的铰接圆柱通过和动圈上对应的铰接孔相配合、使得光阑叶片能够相对动圈自由转动，光阑叶片的滑块圆柱和定圈第三环形凸起上对应的导向滑槽相配合、使得光阑叶片能够相对定圈第三环形凸起滑动；

所述若干预紧螺栓穿过所述底盖上对应的外圈通孔和所述固定壳体下端环面上对应的螺栓孔螺纹连接，使得固定壳体和底盖将动圈、定圈包含在内，所述若干预紧螺栓用于调节固定壳体下端环面和底盖之间的距离、进而调整动圈和定圈第二环形凸起上的各个驱动齿之间的预压力；

所述定圈的下端面上粘贴有环形的压电陶瓷片，所述底盖、压电陶瓷片、定圈、动圈、固定壳体同轴；

所述压电陶瓷片采用两相电压激励方式，用于接入外部信号产生振动以驱动动圈转动、进而调整通光孔的孔径大小。

定圈设计成超声电机定子的形式，中间设有通光孔。定圈第三环形凸台上均匀设有驱动齿，齿通过逆压电效应产生椭圆运动驱动动圈；定圈第三环形凸台低于第三环形凸台，其上设有滑槽用于限制光阑叶片一端的运动方向。

光阑叶片为环状扇形片结构，两端不同面分别设有铰接圆柱和滑块圆柱，铰接圆柱与动圈形成铰接，由动圈带动做圆周运动，滑块圆柱与定圈内圈的槽配合用作滑块，沿滑槽方向直线运动。多个光阑叶片以一定角度轴向重叠于定圈与动圈之间，通过动圈旋转放大、缩小通光孔。

动圈为环形薄板，中间孔直径与定圈相同，其上端面和顶盖的下端面上对应设有环形凹槽、形成滚珠滑道，用于限制滚珠运动自由度，并一起形成止推轴承。此设计方法可以代替轴承承载预压力，减少零件的数量，同时减小装置的整体厚度。动圈上的下端面与驱动齿接触，通过摩擦效应运动。

固定壳体将动圈、定圈、光阑叶片、滚珠包含在内，起到包装、定位、施加预压力的作用。预紧螺栓通过外圈通孔和螺栓孔将底盖与固定壳体连接，并且底盖不与固定壳体直接接触，中间预留一定空间；通过调节预紧螺栓的松紧度，对固定于底盖上的定圈施加预压力，调节驱动齿齿与驱动面之间的摩擦驱动力。

压电陶瓷片通过树脂紧密粘贴在定圈的下端面上，驱动定圈驱动齿振动以带动动圈转动。

底盖上均匀设有若干指向其圆心、由外至内逐渐变细的扇形通孔，以减轻底盖重量、且便于扇热。

底盖、定圈、动圈、固定壳体、若干光阑叶片、若干预紧螺栓、若干固定螺栓均采用高分子聚合物材料制作，以减轻一体式光阑的整体质量。

本发明的控制方法如下：通过相位差为90°的两相电施加于压电陶瓷的相应区域，通过逆压电效应定圈外圆产生行波运动，驱动动圈转动，动圈带动光阑叶片一端旋转改变遮光孔的大小；通过调节两项电压相位差可以实现动圈的顺/逆时针旋转，实现通光孔的放大缩小。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。