基于新型压电驱动器的激光扫描器

　　0 引言

　　激光扫描器，如多面转镜扫描器、振镜扫描器(检流计式)、音圈电机扫描器和压电扫描器等，在激光加工、激光投影、激光电视、生物医学、半导体工艺、激光雷达等领域中获得了广泛的应用。多面转镜扫描器虽然具有扫描速度快、扫描角度大、回扫快和速度稳定性高等优点，但也有半径差引起的非线性误差和各小面不平行度引起的塔形误差，会影响扫描精度[1]。振镜扫描器在高频扫描(几百赫兹以上)时，扫描最大角度和线性度都会严重下降。另外，上述两种扫描器都有转动惯量大、功耗大、有摩擦等缺点，难以实现高速灵巧扫描，在空间领域应用也受限。音圈电机扫描器[2]扫描角度较大，但是扫描频率较低，功耗较大。

　　传统的压电光学扫描器[3]采用压电陶瓷驱动器直接驱动，多用于自适应光学补偿，扫描器频率较高，但是由于压电陶瓷驱动位移量小， 导致扫描角度小，限制了在其他领域的应用。为了弥补压电陶瓷驱动位移量小的缺点， 国内外研究者设计了多种位移放大结构，主要采用杠杆放大原理，在多种微位移驱动机构里得到了应用。杠杆式的位移放大机构放大率高，但是谐振频率不高，影响其高频动态应用。

　　在激光雷达等领域，通常希望激光光束以高频率匀速扫描(即三角波扫描)，而上述激光扫描器很难达到这种要求。为此，文中基于新型的弹性外壳式位移放大压电驱动结构[4-7]，设计了一种高性能的激光扫描器(以下简称扫描器)，该驱动结构具有比杠杆式压电驱动结构更好的高频动态特性，可以实现比传统压电扫描器大的扫描角度和较高的扫描频率，通过软件补偿和串联硬件陷波器相结合的开环控制方法，补偿压电陶瓷迟滞效应影响和抑制机械谐振，提高了扫描线性度，实现了高频匀速扫描。文中详细介绍了新型位移放大压电驱动结构和新型激光扫描器的工作原理，对其进行了模拟分析，介绍了扫描器的驱动控制方法，并对扫描器进行了性能测试。

　　1 新型位移放大压电驱动器的工作原理

　　新型位移放大压电驱动器由压电陶瓷叠堆和弹性外框组成， 弹性外框采用弹簧钢60Si2Mn 制作，压电陶瓷叠堆驱动器在一定的预紧力作用下卡在弹性外框内，其结构和工作原理如图1 所示。当给压电陶瓷施加正电压时，压电陶瓷会伸长，迫使弹性外框变形，在与压电陶瓷伸长方向垂直的方向上缩短。因此，位移放大压电驱动器可将压电陶瓷在横向的伸长运动转化为纵向的缩短运动，缩短的位移量按照一定比例放大。将驱动器近似为一个椭圆，位移放大率A 与驱动器的长短轴之比近似成正比：A=a/b (1)