專利名稱：片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密機械中光驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到新型的二維壓電光掃描的幾種典型結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在背景技術(shù)中，掃描式光學系統(tǒng)在光學儀器中占有重要的地位。常用的光掃描結(jié)構(gòu)有機械驅(qū)動掃描結(jié)構(gòu)、電磁驅(qū)動掃描結(jié)構(gòu)、靜電驅(qū)動掃描結(jié)構(gòu)、壓電驅(qū)動掃描結(jié)構(gòu)、聲光偏轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)、電光偏轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)以及多面棱鏡回轉(zhuǎn)式掃描結(jié)構(gòu)等多種。
其中，電磁、靜電振蕩式掃描結(jié)構(gòu)的研究工作開展得比較早，理論與工藝已經(jīng)成熟，在光掃描應用領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用。由于電磁、靜電驅(qū)動也存在結(jié)構(gòu)振顫明顯，有電磁輻射等缺陷，而壓電驅(qū)動光掃描結(jié)構(gòu)憑借著結(jié)構(gòu)簡單，響應快，啟動制動振顫小，無電磁輻射，無間隙，無摩擦損耗等特點，使得更多學者越來越關(guān)注壓電驅(qū)動掃描結(jié)構(gòu)的研制。目前，已有的壓電光掃描結(jié)構(gòu)主要是可實現(xiàn)一維擺動的壓電復合結(jié)構(gòu)或者是可實現(xiàn)二維擺動但結(jié)構(gòu)非常復雜的壓電復合結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決既可以實現(xiàn)光反射鏡的二維擺動，同時自身結(jié)構(gòu)簡單、可靠，本發(fā)明提出幾種二維壓電光掃描的設計結(jié)構(gòu)，幾種結(jié)構(gòu)中都采用了結(jié)構(gòu)非常簡單的壓電復合懸臂梁結(jié)構(gòu)，所采用的片式化的壓電陶瓷易于同半導體加工工藝兼容，將來進一步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)或器件的微型化。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁，由一塊基片以及位于該基片同側(cè)的一組壓電陶瓷片固定連接形成，該壓電陶瓷片上有兩個電極區(qū)，它們在被沿厚度方向極化后所形成的兩個對應的極化區(qū)內(nèi)的極化方向相同；(2)鉸鏈，該鉸鏈的一側(cè)與所述基片的一側(cè)活動連接；(3)反射鏡片，該鏡片固定在一個鏡框內(nèi)，該鏡框與所述鉸鏈的另一側(cè)相連；(4)支撐框架，該框架與所述基片的另一側(cè)固定連接；當激勵信號正極與兩組電極區(qū)并聯(lián)，而負極與所述基片相連時，該復合懸臂梁產(chǎn)生相對于所述基片平面的彎曲變形；當激勵信號正極和負極分別與所述兩組電極區(qū)相連，該復合懸臂梁產(chǎn)生以所述復合懸臂梁長軸為中心線的扭轉(zhuǎn)變形。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁，由一塊基片以及位于該基片同側(cè)的一組壓電陶瓷片固定連接形成，該壓電陶瓷片上有兩個電極區(qū)，它們在被沿厚度方向極化后形成的兩個對應的極化區(qū)內(nèi)的極化方向相同；(2)鉸鏈，該鉸鏈的一側(cè)與所述基片的一側(cè)活動連接；(3)反射鏡片，該鏡片固定在一個鏡框內(nèi)，該鏡框的一側(cè)與所述鉸鏈的另一側(cè)相連；(4)支撐框架，該框架一側(cè)與所述基片的另一側(cè)固定連接，而該框架的另一側(cè)則通過另外一個鉸鏈與所述鏡框的另一側(cè)活動連接；當激勵信號正極與所述兩組電極區(qū)并聯(lián)，而負極與所述基片相連時，該復合懸臂梁產(chǎn)生相對于所述基片平面的彎曲變形；當激勵信號正極和負極分別與所述兩組電極區(qū)相連，則該復合懸臂梁產(chǎn)生以所述復合懸臂梁長軸為中心線的扭轉(zhuǎn)變形。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁組合，由四個互相呈十字對稱分布的復合懸臂梁構(gòu)成，每一個復合懸臂梁由一塊基片以及與該基片相固接的壓電陶瓷片構(gòu)成，該壓電陶瓷片都位于各基片同側(cè)，且均沿厚度方向極化且極化方向相同；(2)反射鏡片，固定在一個鏡框內(nèi)，該鏡框通過四個鉸鏈分別與四塊基片的一側(cè)相活動連接，位于所述十字對稱分布的中心之處；(3)支撐框架，該框架與所述四塊基片的另一側(cè)固定連接；當激勵信號正極與所述復合懸臂梁組合中任何一個復合懸臂梁上的壓電陶瓷片的電極表面相連，而負極與相對側(cè)的一個復合懸臂梁上的壓電陶瓷片的電極表面相連時，將始終保持這兩個壓電陶瓷片中的一個收縮而另一個伸長，導致面對面的兩個復合懸臂梁產(chǎn)生上、下兩種相位反向的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片產(chǎn)生擺動，所述十字對稱分布的復合懸臂梁組合所形成的反射鏡片的兩種擺動在空間是正交的。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁組合，由兩個互相垂直的復合懸臂梁構(gòu)成，每一個復合懸臂梁由一塊基片以及與該基片相固接的壓電陶瓷片構(gòu)成，各壓電陶瓷片都位于各基片同側(cè)，均沿厚度方向被極化，且極化方向相同；(2)反射鏡片，該鏡片固定在一個鏡框內(nèi)，位于所述兩個復合懸臂梁的垂直相交處；(3)支撐框架，該框架分別與所述兩個相互垂直的復合懸臂梁的一側(cè)固定連接；(4)鉸鏈，共有四個，第1鉸鏈、第2鉸鏈的一側(cè)分別與所述兩個相互垂直的復合懸臂梁的另一側(cè)活動連接而第1鉸鏈、第2鉸鏈的另一側(cè)則分別與所述鏡框活動連接；第3鉸鏈、第4鉸鏈的一側(cè)分別與所述支撐框架活動連接，而第3鉸鏈、第4鉸鏈的另一側(cè)則分別與所述鏡框相活動連接；所述兩個相互垂直的復合懸臂梁通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片的二維光掃描，即當激勵信號正極與其中任何一個復合懸臂梁上的壓電陶瓷片的電極表面相連，而負極與基片相連時則該復合懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形，進而使所述反鏡片產(chǎn)生擺動；對于另外一個復合懸臂梁，采用所述方法時其結(jié)果相同，但前后兩種擺動空間正交實現(xiàn)了所述反射鏡片的二維擺動。
所述壓電陶瓷片是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)中的任何一種。
所述基片和支撐框架采用金屬材料或硅材料中的任何一種。
所述的反射鏡片采用濺射鋁膜或者金膜表面中的任何一種。
所述鉸鏈呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的基片、或鏡框、或支撐框架剛性活動連接。
同傳統(tǒng)基于其它原理的光掃描結(jié)構(gòu)相比，二維壓電光反射結(jié)構(gòu)具有非常顯著的優(yōu)點。
由于電磁、靜電驅(qū)動也存在結(jié)構(gòu)振顫明顯，有電磁輻射等缺陷，而壓電驅(qū)動光掃描結(jié)構(gòu)憑借著結(jié)構(gòu)簡單，響應快，啟動制動振顫小，無電磁輻射，無間隙，無摩擦損耗等特點。同已有的壓電掃描結(jié)構(gòu)比，由具有結(jié)構(gòu)簡單，外形片式化，易于半導體加工工藝兼容，提供了將來規(guī)?；?、批量化生產(chǎn)的可能。
光掃描技術(shù)的進步促使其應用和相應的產(chǎn)品飛速發(fā)展，如讀碼器、掃描儀、投影儀、顯示器、激光打印、非接觸測量、無線光通訊等。尤其將該結(jié)構(gòu)用到無線光通訊方面，極大提高了無線光網(wǎng)通訊中空間光掃描搜索和定位的速度，增大了信息傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性，同時保證節(jié)點轉(zhuǎn)換器緊湊的結(jié)構(gòu)設計，低廉的制造成本，為國內(nèi)外的無線光網(wǎng)通訊市場注入新的活力與生機，壓電驅(qū)動控制技術(shù)和壓電掃描微結(jié)構(gòu)在無線光網(wǎng)通訊節(jié)點轉(zhuǎn)換器中的應用，將極有可能形成一種全新的，甚至與以往傳統(tǒng)產(chǎn)品完全不同的設計理念。同時，可以極大節(jié)省網(wǎng)絡通訊在基礎(chǔ)設施方面的投入，避免了過多在城市地下鋪設光纜等設施，是中短距離網(wǎng)絡信息通訊有意的補充，特別適于在住宅樓比較集中、密集的小區(qū)設立這種無線光網(wǎng)通訊技術(shù)。
圖1為本發(fā)明單懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。a)為采用一片壓電陶瓷，表面分割兩個電極區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；b)為采用兩片壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明單懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的工作原理圖。a)結(jié)構(gòu)彎曲變形有限元分析結(jié)果；b)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形有限元分析結(jié)果。
圖3為本發(fā)明單懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例一的實物照片。
圖4為本發(fā)明單懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例一的激光多普勒測試結(jié)果。a)結(jié)構(gòu)彎曲變形結(jié)果；b)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形結(jié)果。
圖5為單懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。a)為采用一片壓電陶瓷，表面分割兩個電極區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖，b)為采用兩片壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明四懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明四懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的工作原理圖。
圖8為本發(fā)明四懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本發(fā)明四懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例五的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為本發(fā)明雙懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例六的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為本發(fā)明雙懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例七的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為本發(fā)明雙懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)實施例八的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明主要設計出單懸臂型、雙懸臂型和四懸臂型新型片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)。
其中，單懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)由一組壓電陶瓷片與基片構(gòu)成的壓電復合懸臂梁，活動鉸鏈，反射鏡片，支撐框架組成。其特征是反射鏡片通過活動鉸鏈與復合懸臂梁或支撐框架相連，復合懸臂梁依靠周圍的支撐框架固定。所述的壓電陶瓷片表面電極分割成兩個電極區(qū)，每個電極區(qū)沿厚度方向極化且極化方向相同，壓電陶瓷片粘貼在基片之上，且電極區(qū)分割線走向與懸臂長度方向平行。當兩個電極區(qū)加同相交流電時，懸臂產(chǎn)生彎曲振動，鏡片隨著振動。當兩個電極區(qū)加反相交流電時，一個陶瓷區(qū)伸張，另外一個陶瓷區(qū)收縮，鏡片沿懸臂長度方向的中線扭轉(zhuǎn)。這樣，鏡片的偏轉(zhuǎn)角度就具有了兩個自由度，工作時依靠壓電復合懸臂梁的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，帶動端部的反射鏡片二維方向的擺動，進而實現(xiàn)了光在二維空間的調(diào)整。
雙懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由兩組壓電陶瓷片與基片分別構(gòu)成兩個壓電復合懸臂梁，活動鉸鏈，反射鏡片，支撐框架組成。其特征是兩個復合懸臂梁之間呈垂直分布，反射鏡片通過鉸鏈設置在兩個復合懸臂梁的交會點處，且通過活動鉸鏈與支撐框架相連，兩個復合懸臂梁依靠周圍的支撐框架固定。
四懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由四組壓電陶瓷片與基片分別構(gòu)成四個復合懸臂梁，活動鉸鏈，反射鏡片，支撐框架組成。其特征是四個復合懸臂梁呈十字對稱分布，反射鏡片通過活動鉸鏈設置在十字的中心點處，四個復合懸臂梁依靠周圍的支撐框架固定。雙和四懸臂型二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，工作時都是依靠壓電復合懸臂梁的彎曲變形，帶動端部的反射鏡片二維方向的擺動，進而實現(xiàn)光在二維空間的調(diào)整。
本發(fā)明提出的片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)結(jié)合實施例及附圖詳細說明如下。
實施例一本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例一，如圖1-4所示。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由一組壓電陶瓷片11與基片12構(gòu)成的復合懸臂梁1，活動鉸鏈13，反射鏡片14，支撐框架15組成。其特征是反射鏡片14通過活動鉸鏈13與復合懸臂梁1相連，復合懸臂梁1依靠周圍的支撐框架15固定，141是鏡框。
所述的壓電陶瓷片11是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片11的厚度方向。壓電陶瓷片11與所述的基片12用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片11固定在基片12的同一側(cè)。
所述的壓電陶瓷片11是在同-壓電陶瓷片11表面分割成兩組電極區(qū)110和111，兩組極化區(qū)極化方向相同；或者所述的壓電陶瓷片11是兩塊壓電陶瓷片112和113沿所述的復合懸臂梁長度方向有一定間隔并列排列，兩塊壓電陶瓷112和113的極化方向相同。
所述的基片12和支撐框架15采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片14表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面140。
所述的活動鉸鏈13呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁1，鏡框141剛性連接。
所述的支撐框架15通過通孔150與外界固定。
所述的復合懸臂梁1通過彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形實現(xiàn)所述反射鏡片14的二維光掃描。特征是當激勵信號正極分別與所述的兩組電極區(qū)110、111相連，或者分別與兩塊壓電陶瓷片112和113的表面相連，激勵信號負極與基板12相連，這種連接方式將使復合懸臂梁1產(chǎn)生彎曲變形。當激勵信號正極和負極分別與所述的兩組電極區(qū)110、111相連，或者分別與兩塊壓電陶瓷片112和113的表面相連，這種連接方式將使復合懸臂梁1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
實施例二本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例二，如圖5所示。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由一組壓電陶瓷片51與基片52構(gòu)成的復合懸臂梁5，活動鉸鏈53，反射鏡片54，541是鏡框，支撐框架55組成。其特征是反射鏡片54通過活動鉸鏈53與復合懸臂梁55和支撐框架55相連，復合懸臂梁5依靠周圍的支撐框架55固定。
所述的壓電陶瓷片51是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片51的厚度方向。壓電陶瓷片51與所述的基片52用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片51固定在基片52的同一側(cè)。
所述的壓電陶瓷片51是在同一壓電陶瓷片51表面分割成兩組電極區(qū)510和511，兩組極化區(qū)極化方向相同；或者所述的壓電陶瓷片51是兩塊壓電陶瓷片512和513沿所述的復合懸臂梁長度方向有一定間隔并列排列，兩塊壓電陶瓷512和513的極化方向相同。
所述的基片52和支撐框架55采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片54表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面540。
所述的活動鉸鏈53呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁1，鏡框141，支撐框架55剛性連接。
所述的支撐框架55通過通孔550與外界固定。
所述的復合懸臂梁5通過彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形實現(xiàn)所述反射鏡片54的二維光掃描。特征是當激勵信號正極分別與所述的兩組電極區(qū)510、511相連，或者分別與兩塊壓電陶瓷片512和513的表面相連，激勵信號負極與基板52相連，這種連接方式將使復合懸臂梁5產(chǎn)生彎曲變形。當激勵信號正極和負極分別與所述的兩組電極區(qū)510、511相連，或者分別與兩塊壓電陶瓷片512和513的表面相連，這種連接方式將使復合懸臂梁5產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
實施例三本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例三，如圖6所示。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由四組壓電陶瓷片610、620、630、640與基片611、621、631、641分別構(gòu)成四個復合懸臂梁61、62、63、64，活動鉸鏈65，反射鏡片66，支撐框架67組成。其特征是四個復合懸臂梁61、62、63和64呈十字對稱分布，反射鏡片66通過活動鉸鏈65設置在十字的中心點處，四個復合懸臂梁61、62、63和64依靠周圍的支撐框架67固定。
所述的壓電陶瓷片610、620、630、640是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片的厚度方向。壓電陶瓷片610、620、630、640分別與所述的基片611、621、631、641用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片610、620、630、640都固定在基片611、621、631、641的同一側(cè)。
所述的基片611、621、631、641和支撐框架67采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片66表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面660。
所述的活動鉸鏈65呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁61、62、63、64，鏡框661剛性連接。
所述的支撐框架67通過通孔670與外界固定。
所述的復合懸臂梁61、62、63、64通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片66的二維光掃描。特征是當激勵信號正極與復合懸臂梁61上的壓電陶瓷片610的電極表面相連，激勵信號負極與對面的復合懸臂梁63上的壓電陶瓷片630的電極表面相連，這種連接方式將始終保持兩個壓電陶瓷片610和630中的一個收縮另一個伸張，導致面對面的兩個復合懸臂梁61和63產(chǎn)生上下兩種相位相反的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片66產(chǎn)生擺動。同理，當激勵信號正極與復合懸臂梁62上的壓電陶瓷片620的電極表面相連，激勵信號負極與對面的復合懸臂梁64上的壓電陶瓷片640的電極表面相連，這種連接方式將始終保持兩個壓電陶瓷片620和640中的一個收縮另一個伸張，導致面對面的兩個復合懸臂梁62和64產(chǎn)生上下兩種相位相反的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片66產(chǎn)生擺動，前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片66實現(xiàn)二維擺動。
實施例四本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例四，如圖8所示。
實施例四的結(jié)構(gòu)與實施例三基本一致，唯一不同在于支撐框架的具體結(jié)構(gòu)，見圖8。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由四組壓電陶瓷片810、820、830、840與基片811、821、831、841分別構(gòu)成四個復合懸臂梁81、82、83、84，活動鉸鏈85，反射鏡片86，支撐框架87組成。其特征是四個復合懸臂梁81、82、83和84呈十字對稱分布，反射鏡片86通過活動鉸鏈85設置在十字的中心點處，四個復合懸臂梁81、82、83和84依靠周圍的支撐框架87固定。
所述的壓電陶瓷片810、820、830、840是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片的厚度方向。壓電陶瓷片810、820、830、840分別與所述的基片811、821、831、841用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片810、820、830、840都固定在基片811、821、831、841的同一側(cè)。
所述的基片811、821、831、841和支撐框架87采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片86表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面860。
所述的活動鉸鏈85呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁81、82、83、84，鏡框861剛性連接。
所述的支撐框架87通過通孔870與外界固定。
所述的復合懸臂梁81、82、83、84通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片86的二維光掃描。特征是當激勵信號正極與復合懸臂梁81上的壓電陶瓷片810的電極表面相連，激勵信號負極與對面的復合懸臂梁83上的壓電陶瓷片830的電極表面相連，這種連接方式將始終保持兩個壓電陶瓷片810和830中的一個收縮另一個伸張，導致面對面的兩個復合懸臂梁81和83產(chǎn)生上下兩種相位相反的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片86產(chǎn)生擺動。同理，當激勵信號正極與復合懸臂梁82上的壓電陶瓷片820的電極表面相連，激勵信號負極與對面的復合懸臂梁84上的壓電陶瓷片840的電極表面相連，這種連接方式將始終保持兩個壓電陶瓷片820和840中的一個收縮另一個伸張，導致面對面的兩個復合懸臂梁82和84產(chǎn)生上下兩種相位相反的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片86產(chǎn)生擺動，前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片86實現(xiàn)二維擺動。
擺動，前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片66實現(xiàn)二維擺動。
實施例五本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例五，如圖9所示。
實施例五的結(jié)構(gòu)與實施例三基本一致，唯一不同在于支撐框架的具體結(jié)構(gòu)，見圖9。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由四組壓電陶瓷片910、920、930、940與基片911、921、931、941分別構(gòu)成四個復合懸臂梁91、92、93、94，活動鉸鏈95，反射鏡片96，支撐框架97組成。其特征是四個復合懸臂梁91、92、93和94呈十字對稱分布，反射鏡片96通過活動鉸鏈95設置在十字的中心點處，四個復合懸臂梁91、92、93和94依靠周圍的支撐框架97固定。
所述的壓電陶瓷片910、920、930、940是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片的厚度方向。壓電陶瓷片910、920、930、940分別與所述的基片911、921、931、941用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片910、920、930、940都固定在基片911、921、931、941的同一側(cè)。
所述的基片911、921、931、941和支撐框架97采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片96表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面960。
所述的活動鉸鏈95呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁91、92、93、94，鏡框961剛性連接。
所述的支撐框架97通過通孔970與外界固定。
所述的復合懸臂梁91、92、93、94通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片96的二維光掃描。特征是當激勵信號正極與復合懸臂梁91上的壓電陶瓷片910的電極表面相連，激勵信號負極與對面的復合懸臂梁93上的壓電陶瓷片930的電極表面相連，這種連接方式將始終保持兩個壓電陶瓷片910和930中的一個收縮另一個伸張，導致面對面的兩個復合懸臂梁91和93產(chǎn)生上下兩種相位相反的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片96產(chǎn)生擺動。同理，當激勵信號正極與復合懸臂梁92上的壓電陶瓷片920的電極表面相連，激勵信號負極與對面的復合懸臂梁94上的壓電陶瓷片940的電極表面相連，這種連接方式將始終保持兩個壓電陶瓷片920和940中的一個收縮另一個伸張，導致面對面的兩個復合懸臂梁92和94產(chǎn)生上下兩種相位相反的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片96產(chǎn)生擺動，前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片96實現(xiàn)二維擺動。
實施例六本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例六，如圖10所示。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由兩組壓電陶瓷片1010、1020與基片1011、1021分別構(gòu)成兩個復合懸臂梁101、102，活動鉸鏈103，反射鏡片104，支撐框架105組成。其特征是兩個復合懸臂梁101和102之間呈垂直分布，反射鏡片104通過鉸鏈103設置在兩個復合懸臂梁101和102的交會點處，且通過活動鉸鏈103與支撐框架105相連，兩個復合懸臂梁101和102依靠周圍的支撐框105架固定。
所述的壓電陶瓷片1010和1020是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片的厚度方向。壓電陶瓷片1010和1020分別與所述的基片1011和1021用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片1010和1020都固定在基片1011和1021的同一側(cè)。
所述的基片1011和1021和支撐框架105采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片104表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面1040。
所述的活動鉸鏈103呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁101和102，鏡框1041剛性連接。
所述的支撐框架105通過通孔1050與外界固定。
所述的復合懸臂梁101、102通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片104的二維光掃描。特征是當激勵信號正極與復合懸臂梁101上的壓電陶瓷片1010的電極表面相連，激勵信號負極與基板1011相連，復合懸臂梁101產(chǎn)生彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片104產(chǎn)生擺動。同理，當激勵信號正極與復合懸臂梁102上的壓電陶瓷片1020的電極表面相連，激勵信號負極與基板1021相連，復合懸臂梁102產(chǎn)生彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片104產(chǎn)生擺動。前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片104實現(xiàn)二維擺動。
實施例七本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例七，如圖11所示。
實施例七的結(jié)構(gòu)與實施例六基本一致，唯一不同在于支撐框架的具體結(jié)構(gòu)，見圖11。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由兩組壓電陶瓷片1110、1120與基片1111、1121分別構(gòu)成兩個復合懸臂梁111、112，活動鉸鏈113，反射鏡片114，支撐框架115組成。其特征是兩個復合懸臂梁111和112之間呈垂直分布，反射鏡片114通過鉸鏈113設置在兩個復合懸臂梁111和112的交會點處，且通過活動鉸鏈113與支撐框架115相連，兩個復合懸臂梁111和112依靠周圍的支撐框115架固定。
所述的壓電陶瓷片1110和1120是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片的厚度方向。壓電陶瓷片1110和1120分別與所述的基片1111和1121用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片1110和1120都固定在基片1111和1121的同一側(cè)。
所述的基片1111和1121和支撐框架115采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片114表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面1140。
所述的活動鉸鏈113呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁111和112，鏡框1141剛性連接。
所述的支撐框架115通過通孔1150與外界固定。
所述的復合懸臂梁111、112通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片114的二維光掃描。特征是當激勵信號正極與復合懸臂梁111上的壓電陶瓷片1110的電極表面相連，激勵信號負極與基板1111相連，復合懸臂梁111產(chǎn)生彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片114產(chǎn)生擺動。同理，當激勵信號正極與復合懸臂梁112上的壓電陶瓷片1120的電極表面相連，激勵信號負極與基板1121相連，復合懸臂梁112產(chǎn)生彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片114產(chǎn)生擺動。前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片114實現(xiàn)二維擺動。
實施例八本發(fā)明設計出了片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)的實施例八，如圖12所示。
實施例八的結(jié)構(gòu)與實施例六基本一致，唯一不同在于支撐框架的具體結(jié)構(gòu)，見圖12。
片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，由兩組壓電陶瓷片1210、1220與基片1211、1221分別構(gòu)成兩個復合懸臂梁121、122，活動鉸鏈123，反射鏡片124，支撐框架125組成。其特征是兩個復合懸臂梁121和122之間呈垂直分布，反射鏡片124通過鉸鏈123設置在兩個復合懸臂梁121和122的交會點處，且通過活動鉸鏈123與支撐框架115相連，兩個復合懸臂梁121和122依靠周圍的支撐框125架固定。
所述的壓電陶瓷片1210和1220是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)，極化方向沿壓電陶瓷片的厚度方向。壓電陶瓷片1210和1220分別與所述的基片1211和1221用環(huán)氧膠粘接，壓電陶瓷片1210和1220都固定在基片1211和1221的同一側(cè)。
所述的基片1211和1221和支撐框架125采用金屬材料、或者硅材料。
所述的反射鏡片124表面采用濺射鋁膜或者金膜表面形成反射鏡面1240。
所述的活動鉸鏈123呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的復合懸臂梁121和122，鏡框1241剛性連接。
所述的支撐框架125通過通孔1250與外界固定。
所述的復合懸臂梁121、122通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片124的二維光掃描。特征是當激勵信號正極與復合懸臂梁121上的壓電陶瓷片1210的電極表面相連，激勵信號負極與基板1211相連，復合懸臂梁121產(chǎn)生彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片124產(chǎn)生擺動。同理，當激勵信號正極與復合懸臂梁122上的壓電陶瓷片1220的電極表面相連，激勵信號負極與基板1221相連，復合懸臂梁122產(chǎn)生彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片124產(chǎn)生擺動。前后兩種擺動空間正交，即反射鏡片124實現(xiàn)二維擺動。
權(quán)利要求
1.片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁，由一塊基片以及位于該基片同側(cè)的一組壓電陶瓷片固定連接形成，該壓電陶瓷片上有兩個電極區(qū)，它們在被沿厚度方向極化后所形成的兩個對應的極化區(qū)內(nèi)的極化方向相同；(2)鉸鏈，該鉸鏈的一側(cè)與所述基片的一側(cè)活動連接；(3)反射鏡片，該鏡片固定在一個鏡框內(nèi)，該鏡框與所述鉸鏈的另一側(cè)相連；(4)支撐框架，該框架與所述基片的另一側(cè)固定連接；當激勵信號正極與兩組電極區(qū)并聯(lián)，而負極與所述基片相連時，該復合懸臂梁產(chǎn)生相對于所述基片平面的彎曲變形；當激勵信號正極和負極分別與所述兩組電極區(qū)相連，該復合懸臂梁產(chǎn)生以所述復合懸臂梁長軸為中心線的扭轉(zhuǎn)變形。
2.片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁，由一塊基片以及位于該基片同側(cè)的一組壓電陶瓷片固定連接形成，該壓電陶瓷片上有兩個電極區(qū)，它們在被沿厚度方向極化后形成的兩個對應的極化區(qū)內(nèi)的極化方向相同；(2)鉸鏈，該鉸鏈的一側(cè)與所述基片的一側(cè)活動連接；(3)反射鏡片，該鏡片固定在一個鏡框內(nèi)，該鏡框的一側(cè)與所述鉸鏈的另一側(cè)相連；(4)支撐框架，該框架一側(cè)與所述基片的另一側(cè)固定連接，而該框架的另一側(cè)則通過另外一個鉸鏈與所述鏡框的另一側(cè)活動連接；當激勵信號正極與所述兩組電極區(qū)并聯(lián)，而負極與所述基片相連時，該復合懸臂梁產(chǎn)生相對于所述基片平面的彎曲變形；當激勵信號正極和負極分別與所述兩組電極區(qū)相連，則該復合懸臂梁產(chǎn)生以所述復合懸臂梁長軸為中心線的扭轉(zhuǎn)變形。
3.片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁組合，由四個互相呈十字對稱分布的復合懸臂梁構(gòu)成，每一個復合懸臂梁由一塊基片以及與該基片相固接的壓電陶瓷片構(gòu)成，該壓電陶瓷片都位于各基片同側(cè)，且均沿厚度方向極化且極化方向相同；(2)反射鏡片，固定在一個鏡框內(nèi)，該鏡框通過四個鉸鏈分別與四塊基片的一側(cè)相活動連接，位于所述十字對稱分布的中心之處；(3)支撐框架，該框架與所述四塊基片的另一側(cè)固定連接；當激勵信號正極與所述復合懸臂梁組合中任何一個復合懸臂梁上的壓電陶瓷片的電極表面相連，而負極與相對側(cè)的一個復合懸臂梁上的壓電陶瓷片的電極表面相連時，將始終保持這兩個壓電陶瓷片中的一個收縮而另一個伸長，導致面對面的兩個復合懸臂梁產(chǎn)生上、下兩種相位反向的彎曲變形，進而使所連接的反射鏡片產(chǎn)生擺動，所述十字對稱分布的復合懸臂梁組合所形成的反射鏡片的兩種擺動在空間是正交的。
4.片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包含(1)復合懸臂梁組合，由兩個互相垂直的復合懸臂梁構(gòu)成，每一個復合懸臂梁由一塊基片以及與該基片相固接的壓電陶瓷片構(gòu)成，各壓電陶瓷片都位于各基片同側(cè)，均沿厚度方向被極化，且極化方向相同；(2)反射鏡片，該鏡片固定在一個鏡框內(nèi)，位于所述兩個復合懸臂梁的垂直相交處；(3)支撐框架，該框架分別與所述兩個相互垂直的復合懸臂梁的一側(cè)固定連接；(4)鉸鏈，共有四個，第1鉸鏈、第2鉸鏈的一側(cè)分別與所述兩個相互垂直的復合懸臂梁的另一側(cè)活動連接而第1鉸鏈、第2鉸鏈的另一側(cè)則分別與所述鏡框活動連接；第3鉸鏈、第4鉸鏈的一側(cè)分別與所述支撐框架活動連接，而第3鉸鏈、第4鉸鏈的另一側(cè)則分別與所述鏡框相活動連接；所述兩個相互垂直的復合懸臂梁通過各自的彎曲變形實現(xiàn)所述反射鏡片的二維光掃描，即當激勵信號正極與其中任何一個復合懸臂梁上的壓電陶瓷片的電極表面相連，而負極與基片相連時則該復合懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形，進而使所述反鏡片產(chǎn)生擺動；對于另外一個復合懸臂梁，采用所述方法時其結(jié)果相同，但前后兩種擺動空間正交實現(xiàn)了所述反射鏡片的二維擺動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一項權(quán)利要求所述的片式化二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述壓電陶瓷片是單層片，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)中的任何一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一項權(quán)利要求所述的片式化二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述基片和支撐框架采用金屬材料或硅材料中的任何一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一種權(quán)利要求所述的片式化二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的反射鏡片采用濺射鋁膜或者金膜表面中的任何一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一項權(quán)利要求所述的片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鉸鏈呈細長條結(jié)構(gòu)，與所述的基片、或鏡框、或支撐框架剛性活動連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2兩種中任何一項權(quán)利要求所述的片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的壓電陶瓷片是在同一壓電陶瓷片表面分割成兩組電極區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2兩種中任何一項權(quán)利要求所述的片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述壓電陶瓷片是兩塊壓電陶瓷片沿所述復合懸臂梁長度方向的上、下有一定間隔地并行排列。
11.根據(jù)權(quán)利要求2、4兩種中的任何一項權(quán)利要求所述的片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的鉸鏈是與基片、鏡框、支撐框架做成一體的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式化的二維壓電光反射結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鉸鏈是與基片、鏡框做成一體的。
全文摘要
本發(fā)明屬于精密機械中光驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，它含有由一組壓電陶瓷片與基片構(gòu)成的復合懸臂梁，壓電陶瓷片有二個電極區(qū)；鉸鏈；反射鏡片及鏡框；支撐框架。鏡框經(jīng)鉸鏈與基片相連，基片依靠支撐框架固定。當電源正極與兩組電極區(qū)并聯(lián)，電源負極與基片相連，使復合懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形；當電源正極與負極分別與兩組電極區(qū)相連，使復合懸臂梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。復合懸臂梁也可以由四個呈十字對稱分布的懸臂梁構(gòu)成，而反射鏡片處于十字對稱中心；也可由兩個相垂直的懸臂梁構(gòu)成，反射鏡片位于垂直交點處；鏡框同時也可與支撐框架相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動電壓低、響應快、振顫小、無電磁干擾、無間隙、無摩擦損耗的優(yōu)點。
文檔編號G02B5/08GK1731236SQ20051001219
公開日2006年2月8日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者褚祥誠, 袁松梅, 李夢愷 申請人:清華大學, 北京航空航天大學