用于高功率激光装置的压电步进驱动器

　  在神光Ⅱ高功率激光装置中,为消除幅度调制效应,采用可调法布里-珀罗(F-P)滤波器对幅度调制效应进行补偿[1],要求行程5 mm,调节精度nm量级,并能够快速响应反馈控制信号的微位移驱动装置;为获得PW激光系统需要的大口径高破坏阈值光栅压缩器,采用光栅拼接技术[2], 需要调节行程在mm量级,定位精度保持在几十nm,并能保持自锁的微位移驱动装置;同时,升级装置的终端光学组件中,靶镜需要沿光轴线性扫描,移动范围要 达到15 mm以上,对其精度要求达到μm或nm量级;此外升级装置中注入透镜的调整也需要大行程、高精度的驱动装置。因此,神光Ⅱ高功率激光装置需要大行程、高精 度、动态响应好、并能实现自锁的微位移驱动器。传统的机械传动式位移机构,如螺旋机构、杠杆机构等,由于存在着间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等, 其运动分辨力、精度很难达到μm或nm量级。压电陶瓷具有响应快、输出负载大、位移分辨力高、控制特性好、不受磁场影响等优点,是目前较理想的微位移驱动 元件。采用压电陶瓷直接驱动,其运动分辨力、精度可以达到要求,但其行程有限,虽然结合宏动结构能满足实验要求[3-4],但其存在系统复杂、结构累赘、 断电不箝位的缺点。为了扩展压电陶瓷工作行程,同时保持高的分辨力,国内外研究人员已先后开发了基于压电陶瓷的系列驱动器。其中,压电惯性驱动器适合高分 辨力、大行程、推力小的工作场合,并且抗干扰能力差[5];压电超声波驱动器,在低速运行状态下,难以控制[6];尺蠖型压电驱动器存在断电不箝位、控制 复杂的缺点[7-8]。上述压电驱动器方案虽然能有效地缓解大行程和高辨力之间的矛盾,但都存在一定的局限性。

　  本文提出一种以压电陶瓷元件为驱动元件,利用杠杆原理实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距位移的连续累加,形成所需大行程的新型压电步进驱动器。

    1　压电步进驱动器的原理及设计

    1.1　工作原理

　 结构示意图及驱动原理如图1所示。压电步进驱动器主要由动子、导轨、箝位机构、进给机构以及机架组成。为了得到平稳的1维直线位移,选用具有大的离轴刚度 和低摩擦特点的精密交叉滚柱导轨,实现对动子的导向功能[9]。箝位机构主要由杠杆机构、对称的前后箝位块、箝位压电陶瓷、中箝位块以及预紧机构组成。前 后箝位块一端通过杠杆机构与中箝位块连接,另一端与机架连接;并在前后箝位块下部对称地安装有箝位压电陶瓷;中箝位块与进给机构连接在一起。预紧机构主要 由前后箝位块和中箝位块下面的柔性铰链和调整螺钉构成。进给机构主要由进给压电陶瓷及相应的位移导向机构组成。