一种单相压电驱动的可变光阑装置
阅读说明：本技术 一种单相压电驱动的可变光阑装置 (Single-phase piezoelectric driven iris diaphragm device ) 是由 曹腾 李新顺 吴大伟 李晓牛 王伯权 温智益 刘瑞轩 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单相压电驱动的可变光阑装置,装置包括压电作动器、动圈、遮光片、基座。压电作动器包括压电定子、滚柱、左右固定板、上下导热片、弹簧片、弹簧块；压电定子由单相正弦电压直接驱动,驱动足与动圈滑槽直接接触,通过摩擦效应将驱动足的椭圆运动转换为动圈的转动运动；压电定子侧壁与滚柱直接接触,滚柱、左右固定板、弹簧片、弹簧块对压电定子起到了变形限位作用；动圈与遮光片铰接连接,通过动圈的转动带动遮光片周向转动,从而实现通光孔径的扩大或者收缩；基座上装有两个轴承,起到限位作用；电机端盖与基座通过螺栓连接；本发明减小了光阑的体积,具有结构紧凑、控制简单、响应快、精度高的特点。(The invention discloses a single-phase piezoelectric driven iris diaphragm device which comprises a piezoelectric actuator, a moving coil, a shading sheet and a base. The piezoelectric actuator comprises a piezoelectric stator, a roller, a left fixing plate, a right fixing plate, an upper heat conducting fin, a lower heat conducting fin, a spring piece and a spring block; the piezoelectric stator is directly driven by single-phase sinusoidal voltage, the driving foot is directly contacted with the moving coil chute, and the elliptic motion of the driving foot is converted into the rotating motion of the moving coil through the friction effect; the side wall of the piezoelectric stator is in direct contact with the roller, and the roller, the left and right fixing plates, the spring piece and the spring block play a role in deformation limiting on the piezoelectric stator; the movable coil is hinged with the shading sheet, and the shading sheet is driven to rotate circumferentially by the rotation of the movable coil, so that the light aperture is expanded or contracted; two bearings are arranged on the base to play a role in limiting; the motor end cover is connected with the base through a bolt; the invention reduces the volume of the diaphragm and has the characteristics of compact structure, simple control, quick response and high precision.)
技术领域
本发明属于航空航天光学仪器领域，尤其涉及一种单相压电驱动的可变光阑装置。
背景技术
为了获得清晰的图像需要使光学系统在适应景物照度的变化下实现最佳曝光，调光机构便是其中不可缺少的组成部分，它与成像质量有着密切的关系。可变光阑是常用的调光装置，用以控制成像面的照度。目前可变光阑主要由遮光片、光阑动圈、光阑定圈组成，遮光片与动圈铰接连接，通过动圈与环形凸台的相对转动带动遮光片的转动，从而调节光阑孔径大小，调节进入镜头的光通量，使像平面获得适当的照度。
现有技术中，主要存在电磁电机驱动、超声电机驱动两种驱动方法来调节可变光阑。电磁电机作为驱动源，常采用蜗轮蜗杆传动或是齿轮传动控制通光孔径大小，这导致整体结构较为复杂、传动精度低、使用寿命短，且存在电磁干扰，不能应用于电磁场较强的工作环境。另一种是以超声电机作为驱动源，存在着装置体积较大、连接部件较多且无法做到精密控制等问题。
压电作动器是一种新型作动器，对压电材料施加电压，由于逆压电效应定子产生椭圆运动，通过定子与转子的直接接触，将定子的椭圆振动转化为摩擦驱动力，驱动转子进行转动。压电作动器具有结构紧凑、控制简单、质量轻、响应快、精度高等独特的优点，在医学、航空航天等领域的光学系统上具有极大的应用价值。但大多数单相压电作动器只能实现单方向运行，在需要改变运行方向的场合难以应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种单相压电驱动的可变光阑装置,以解决现有可变光阑存在的装置体积大、精度低技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种单相压电驱动的可变光阑装置，包括基座、遮光片、动圈、压电作动器；
所述压电作动器包括压电定子；
所述压电定子顶部中心处设有驱动足；
所述基座包括上半部分和下半部分；
所述基座上半部分为圆环形，中间设有圆形通光孔，圆环内圈设有环形凸台，环形凸台上均匀分布导向滑槽用于限定遮光片的运动；在其外圈处设有凹槽用于放置轴承，凹槽中间设有立轴，用于固定轴承；凹槽中的轴承与压电定子驱动足共同限定动圈自由度；所述立轴与轴承之间采取过盈配合；
所述基座下半部分为压电作动器固定槽；所述压电作动器固定槽用于放置压电定子；
所述动圈呈圆环形，中间为通光孔且与基座通光孔同轴；所述动圈上端面周向均匀设有通孔；
所述动圈侧壁周向设有U型环槽，U型环槽底面与所述轴承紧密接触，轴承在U型环槽内作相对自由滑动，与所述压电定子驱动足共同对动圈起到限位作用，使得动圈只保留旋转自由度；
所述驱动足与所述动圈U型环槽底面紧密接触，起到驱动与定位作用；
所述遮光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；所述遮光片上端面的铰接圆柱与所述动圈上对应的通孔铰接，下端面的滑块圆柱与所述基座对应的导向滑槽相配合，使得遮光片能够作周向转动。
进一步的，压电作动器还包括左固定板和右固定板；
所述左固定板放置在压电作动器固定槽内，设置在压电定子的左边；所述右固定板放置在压电作动器固定槽内，设置在压电定子的右边；所述左固定板和右固定板用于限定压电定子位置。
进一步的，左固定板设有左滚柱槽，右固定板上设有右滚柱槽；所述左滚柱槽和右滚柱槽中固定有滚柱，且压电定子侧壁与滚柱外圆面紧密接触，压电定子产生微量位移，与滚柱产生相对滑动。
进一步的，压电作动器还包括弹簧片，所述弹簧片放置在压电作动器固定槽的左侧壁与左固定板之间，用于施加侧向预压力；
所述弹簧片底部平面与压电作动器固定槽的左侧壁紧密粘贴，且左固定板与弹簧片顶部曲面紧密接触。
进一步的，右固定板与压电作动器固定槽的右凹槽侧壁紧密粘贴。
进一步的，压电作动器还包括弹簧块，所述弹簧块底面与压电作动器固定槽底面紧密粘贴，顶面与压电定子底面紧密接触。
进一步的，压电定子为矩形。
进一步的，还包括电机端盖，所述基座下半部分四周设有第一螺纹孔用于固定电机端盖；
所述电机端盖设有与固定螺栓对应的第二螺栓孔，与基座的第一螺栓孔通过固定螺栓连接。
进一步的，所述电机端盖底部设有凸起，对压电作动器起到固定作用。
进一步的，所述压电作动器还包括上导热片和下导热片；
所述上导热片设置在压电定子的上端面，所述下导热片设置在压电定子下端面，以便压电定子散热；
所述压电定子与上导热片和下导热片采用树脂紧密粘贴在一起，且下导热片的下端面与压电作动器固定槽的端面紧密粘贴。
本发明的一种单相压电驱动的可变光阑装置，具有以下优点：
(1)本发明结构简单，没有采用蜗轮蜗杆或者齿轮等传动机构，而是直接驱动动圈带动遮光片转动，改变通光孔径大小，降低了装置质量，因此本发明具有体积小、重量轻等特点。
(2)本发明采用压电材料的逆压电效应，通过驱动足与动圈之间的摩擦耦合传动将材料的微小变形共振放大，转换为动圈的转动运动。驱动足与动圈的摩擦传动具有较大的保持扭矩，能够做到断电自锁，且电磁兼容性好，因此本发明具有较高的可靠性。
(3)本发明采用压电材料的逆压电效应，压电作动器响应时间在毫秒级别，且在往复运动时无惯性，因此，本发明光阑装置能够达到毫秒级响应速度及纳米级精确定位，且具有较大的动态范围。
(4)本发明只需要单相交流电驱动，通过选择顺时针信号或者逆时针信号，可以实现电机的正向驱动或反向驱动，实现通光孔径的放大与收缩。
附图说明
图1为本发明的一种单相压电驱动的可变光阑装置的部分剖结构示意图；
图2为本发明的一种单相压电驱动的可变光阑装置的爆炸图；
图3是本发明中基座的结构示意图；
图4是本发明中左固定板的结构示意图；
图5是本发明中压电定子的结构示意图；
图6是本发明中压电定子激励方法的示意图；
图7是本发明中右固定板的结构示意图；
图8是本发明中电机端盖的结构示意图；
图9是本发明中动圈的结构示意图；
图10是本发明中遮光片的结构示意图。
图中标记说明：1、基座；2、左固定板；3、上导热片；4、弹簧片；5、滚柱；6、弹簧块；7、压电定子；8、右固定板；9、下导热片；10、电机端盖；11、固定螺栓；12、轴承；13、动圈；14、遮光片；15、顺时针信号；16、逆时针信号；101、第一螺栓孔；102、压电作动器固定槽；103、凹槽；104、立轴；105、环形凸台；106、导向滑槽；201、左滚柱槽；701、驱动足；801、右滚柱槽；1001、第二螺栓孔；1002、电机端盖底部凸起；1301、动圈下端面；1302、通孔；1303、U型环槽；1401、滑块圆柱；1402、铰接圆柱。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种单相压电驱动的可变光阑装置做进一步详细的描述。
如图1、2所示，本发明公开了一种单相压电驱动的可变光阑装置，包括基座1、压电作动器、动圈13、遮光片14、电机端盖10。
压电作动器包括压电定子7、左固定板2、右固定板8、上导热片3、下导热片9、滚柱5、弹簧块6、弹簧片4。
如图3所示，所述基座1下半部分为压电作动器固定槽102。所述压电作动器固定槽102的中间凹槽内用于放置下导热片9，压电定子7，上导热片3；压电作动器固定槽102的左凹槽内放置左固定板2，压电作动器固定槽102的右凹槽内放置右固定板8，左固定板2和右固定板8用于限定压电定子7位置，压电作动器固定槽102的左凹槽侧壁与左固定板2之间放有弹簧片4用于施加侧向预压力；所述基座1下半部分四周设有第一螺纹孔101用于固定电机端盖10；
所述基座1上半部分为圆环形，中间设有圆形通光孔，圆环内圈设有环形凸台105，环形凸台105上均匀分布若干导向滑槽106用于限定遮光片14的运动；在其外圈处设有两个凹槽103用于放置轴承12，凹槽103中间设有立轴104，用于固定轴承12；两凹槽103以一定的角度放置，两凹槽103中的轴承12与压电定子驱动足701共同限定动圈13自由度；所述立轴104与轴承12之间采取过盈配合；
如图9所示，动圈13呈圆环形，中间为通光孔且与基座1通光孔同轴；所述动圈13上端面周向均匀设有若干通孔1302，通孔1302与所述遮光片铰接圆柱1402一一对应；
所述动圈13侧壁周向设有U型环槽1303，U型环槽1303底面与所述两轴承12紧密接触，轴承12在U型环槽1303内作相对自由滑动，与所述压电定子驱动足701共同对动圈13起到限位作用，使得所述动圈13只保留旋转自由度；
如图10所示，所述遮光片14为环状扇形片结构，其一端的上端面上设有铰接圆柱1402，另一端的下端面设有滑块圆柱1401；所述遮光片14上端面的铰接圆柱1402与所述动圈13上对应的通孔1302铰接，下端面的滑块圆柱1401与所述基座1对应的导向滑槽106相配合，使得若干遮光片14能够作周向转动，进而实现通光孔径的扩大或者收缩；
如图5所示，所述压电定子7为矩形，顶部中心处设有驱动足701，驱动足701与所述动圈U型环槽1303底面紧密接触，起到驱动与定位作用；
如图4，图7所示，左固定板2设有若干左滚柱槽201，右固定板8上设有若干右滚柱槽801，固定板2与压电定子7侧壁之间设有若干个滚柱5，滚柱5固定在对应的滚柱槽中，且压电定子7侧壁与所述滚柱5外圆面紧密接触，压电定子7产生微量位移，将会与滚柱5产生相对滑动；
所述弹簧片4底部平面与压电作动器固定槽102的左凹槽侧壁紧密粘贴，且左固定板2与弹簧片4顶部曲面紧密接触，所述右固定板8与压电作动器固定槽102的右凹槽侧壁紧密粘贴，所述弹簧块6底面与固定槽底面紧密粘贴，顶面与压电定子7底面紧密接触；
所述左固定板2、右固定板8、滚柱5、弹簧片4、弹簧块6共同对压电定子7产生限位作用；
如图8所示，所述电机端盖10设有若干与固定螺栓11一一对应的第二螺栓孔1001，与所述基座1的第一螺栓孔101通过固定螺栓连接，电机端盖10底部凸起1002与所述上导热片3紧密接触，对压电定子7起到固定作用；
所述压电定子7上端面设置一片上导热片3，压电定子7下端面设置一片下导热片9，以便压电定子7散热；
所述压电定子7与上导热片3和下导热片9采用树脂紧密粘贴在一起，且下导热片9的下端面与压电作动器固定槽102的中间凹槽端面紧密粘贴；
如图6所示，本发明的控制方法如下：压电定子采用单相电激励的方式，通过逆压电效应使压电定子7驱动足产生驻波运动，驱动动圈13转动，动圈13带动遮光片14一端旋转改变通光孔径的大小；通过选择顺时针信号15或者逆时针信号16，可以实现电机的正向驱动或反向驱动，实现通光孔径的放大与收缩。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
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