CN102751903B

CN102751903B - 一种具有大伸长量的刚性直簧移相器

Info

Publication number: CN102751903B
Application number: CN201210245018.9A
Authority: CN
Inventors: 高志山; 袁群; 朱波
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-07-16
Also published as: CN102751903A

Abstract

本发明涉及一种具有大伸长量的刚性直簧移相器，包括主底板、侧边锁紧装置、PZT固定装置和PZT元件，侧边锁紧装置位于主底板的两侧，PZT固定装置位于主底板的中间下方，并与PZT元件直接接触，两者成前后关系，其特征在于：其中主底板由弹簧结构、正向沉孔、反向沉孔以及位于中心位置的空腔组成；移相器通过正向沉孔固定在使用平台上，并通过反向沉孔与被移动器件固定，PZT元件通过PZT固定装置固定在空腔内；该移相器仅使用单PZT，以及结构简单的移相器机械装置（两组刚性直弹簧）就可实现准确、高灵敏度的大行程移相。

Description

一种具有大伸长量的刚性直簧移相器

技术领域

本发明属于几何量计量技术，涉及一种具有大伸长量刚性直簧结构的高精度移相器。

背景技术

目前微位移驱动元件的种类很多，如机电驱动类、电磁驱动类等。与其他微位移结构相比，压电式移相器因其结构简单、体积小、位移分辨率高（纳米级）、响应快、抗强电磁干扰等诸多优点，在光学、微电子技术、高精度定位、精密加工、激光通讯等各个领域中都有较为广泛的应用。但有时科学实验和生产中需要较大的（几十微米以上级）、精确的且可控的行程量，此时传统的压电式移相器的结构往往不能同时满足上述诸多要求，朱煜曾在《由三个压电陶瓷堆组成的干涉仪移相器的校正与标定》（《光学学报》,Vol.21,No.4,2001）中提出一种由三个PZT在同一圆环上共同推动被移动装置的移相器，并在载重超过10千克的情况下以卧式斐索干涉仪做了实际测试，其精度，行程量均符合设计要求，达到了同类移相器中的较高水平。然而，该移相器结构复杂，非线性校正困难，驱动电路同步性设计复杂，使其在应用领域上受到了诸多限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有大行程量，精度高，结构简单（使用两组刚性直弹簧结构）且易于校正调试的移相器,移相器采用压电陶瓷堆（PZT）推动。

实现本发明目的的技术解决方案为：包括主底板、侧边锁紧装置、PZT固定装置和PZT元件，侧边锁紧装置位于主底板的两侧，PZT固定装置位于主底板的中间下方，并与PZT元件直接接触，两者成前后关系，其特征在于：其中主底板由弹簧结构、正向沉孔、反向沉孔以及位于中心位置的空腔组成；移相器通过正向沉孔固定在使用平台上，并通过反向沉孔与被移动器件固定，PZT元件通过PZT固定装置固定在空腔内；该移相器仅使用单PZT，力传递装置为两组直弹簧结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点：仅使用单PZT，以及结构简单的移相器机械装置就可实现准确、高灵敏度的大行程移相，其原因之一是，本发明的弹簧结构采用刚性应力直弹簧结构，且被移动装置不与PZT元件的中轴线共轴，避免了直接挤压可能造成的偏移，同时弹簧结构较大的长宽比使得大行程量得以实现；其原因之二是，本发明采用钢珠作为和PZT元件以及和主底板中间部分侧边的直接接触，使得即使有微小偏移发生，位移依旧能沿轴向进行；其原因之三是，本发明的主要机械部分（即主底板）是由整块金属加工而成，避免了分成多块拼接时因公差而产生的偏移和倾斜。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的主底板结构示意图。

图3是本发明的侧边锁紧装置的示意图。

图4（a）、（b）、（c）、（d）是本发明的PZT锁紧装置分解示意图；图4（a）是PZT固定板的示意图；图4（b）是PZT套筒的示意图；图4（c）是PZT锁紧螺丝的示意图；图4（d）是PZT固定板锁紧螺丝的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、2、3、4，本发明的移相器是一种具有大伸长量的刚性直簧移相器，由主底板1、侧边锁紧装置2、PZT固定装置3、PZT元件4(市购，类型较多，图中并未标出)组成。侧边锁紧装置2位于主底板的两侧，PZT固定装置位于主底板1的中间下方，并与PZT元件4直接接触，两者成前后关系。主底板1由弹簧结构1-1、4个完全相同的正向沉孔1-2、4个完全相同的反向沉孔1-3以及位于中心位置的空腔1-4组成；侧边锁紧装置2由侧边主板2-1、4颗完全相同的止螺2-2 (每颗止螺均配有钢珠一颗)以及4颗完全相同的侧边锁紧螺丝2-3组成；PZT固定装置3由PZT固定板3-1、PZT套筒3-2、PZT锁紧螺丝3-3以及两颗完全相同的PZT固定板锁紧螺丝3-4组成。移相器通过4个完全相同的正向沉孔1-2固定在使用平台上，通过4个完全相同的反向沉孔1-3与被移动器件固定，PZT元件4通过PZT固定装置3固定在空腔1-4内，弹簧结构1-1为力传递装置。

结合图1、2，所述的移相器结构简单，仅使用单PZT，移相器的机械装置为左右对称结构，对称中心为空腔1-4的中轴线，并与PZT元件4的中轴线重合，空腔1-4的大小及形状由PZT元件4的尺寸决定，空腔内直接与PZT元件4接触的面加工平整，保证PZT元件4伸长方向正确。

结合图2，所述的移相器的主底板1材料为铜或钢，尺寸可根据实际应用进行调整，弹簧结构1-1分为上下两部分，这两部分将主底板1分成上中下三个部分，主底板的上下两个部分由侧边锁紧装置2通过侧边锁紧螺丝2-3固定在一起，并通过正向沉孔1-2固定在整个移相器的使用平台上，正向沉孔1-2公差小于0.1mm，主底板1中间部分直接与PZT元件4接触，为可动部分。

结合图2、3，所述的弹簧结构1-1分为上下两部分，每一部分由一条长镂空结构和两条短镂空结构组成，弹簧结构1-1的上下两部分共同构成刚性应力直弹簧，弹簧结构1-1本身不具有位移放大作用，即直接和被移动装置接触的反向沉孔1-3的轴向（与空腔1-4中轴线同向）位移和PZT元件4的轴向位移之间的比值为1：1,微调弹簧结构1-1的参数（即弹簧结构1-1的外形尺寸），可使对PZT元件4加同样偏压产生的位移量不同，所以根据对位移量的要求不同，可适当改变镂空结构的尺寸参数。

结合图1、2、3、4，所述的移相器为保证位移的精确性和方向的正确性特作如下处理：其一，PZT锁紧螺丝3-3以钢珠作为连接与PZT元件4直接接触，避免PZT锁紧螺丝3-3在锁紧过程中的倾斜等因素造成PZT元件4发生位移偏移；其二，侧边锁紧装置2与主底板1的中间部分（主底板1上由弹簧结构1-1分成上中下三部分）的侧边之间留有空隙，空隙大小为0.8~1.2mm，保证主底板1的中间部分的侧边不与侧边锁紧装置2接触；其三，上述侧边做光滑处理，粗糙度控制在0.2（GB/T3505-2000）以内，且在止螺2-2与主底板1中间部分侧边之间放置钢珠，即便在移相过程中产生细小偏移，也能靠钢珠及止螺2-2的应力将细小偏移纠正过来。

结合图1、4，所述的PZT固定板3-1、PZT套筒3-2、PZT锁紧螺丝3-3以及两颗完全相同的PZT固定板锁紧螺丝3-4共同组成PZT锁紧装置3，PZT固定板3-1的左右两孔3-1-2上开有螺纹，由PZT固定板锁紧螺丝3-4紧固到主底板1上，上述固定板中间大孔3-1-1也开有螺纹，可供PZT锁紧螺丝3-3将PZT元件4紧固在空腔1-4中，PZT套筒3-2与大孔3-1-1对应位置上开有同样大小的通孔3-2-1，上述固定板中间螺孔3-1-1和边上螺孔3-1-2之间分别开有两个直径2mm的小孔3-1-3， PZT套筒3-2侧边与小孔3-1-3对应位置上开有近似大小的凹槽3-2-2，再配合空腔1-4侧面开出的台阶槽，三者结合方便引导出PZT元件4的加电控制导线。

结合图3、4，所述PZT锁紧螺丝3-3为止螺形式，且将止螺2-2及PZT锁紧螺丝3-3与钢珠的连接处加工成内圆锥结构，锥角为90°，便于钢珠的固定和受力。

实施例1：本发明的具有大伸长量的刚性直簧移相器，使用的PZT元件4为圆柱体，长50mm，直径14mm，移相器的主底板1材料为铜，表皮发黑，长度为208mm、宽度为90mm、高度为24mm，即弹簧结构1-1的宽2mm，长镂空结构长180mm，短镂空结构长79mm，结构间距离为2mm，整个移相器装置作为光学二维调整架的底座，两者之间由反向沉孔1-3连接，对PZT加电后，可实现整个光学二维架步进灵敏度在纳米级、加电间隔300~800ms、总行程50μm以上的位移，且位移过程中，震动小、方向准确性高，不产生偏移和倾斜。

实施例2：本发明的具有大伸长量的刚性直簧移相器，使用的PZT元件4为圆柱体，长110mm，直径为30mm，移相器的主底板1材料为钢，表皮发黑，长度为500mm、宽度为210mm、高度为34mm，即弹簧结构1-1的宽4mm，长镂空结构长420mm，短镂空结构长180mm，结构间距离为4mm，整个移相器装置作为大型光学镜头架的的底座，两者之间由反向沉孔1-3连接，对PZT加电后，可实现整个大型光学镜头架步进灵敏度在纳米级、加电间隔300~800ms、总行程200μm以上的位移，且位移过程中，震动小、方向准确性高，不产生偏移和倾斜。

Claims

1.一种具有大伸长量的刚性直簧移相器，包括主底板[1]、侧边锁紧装置[2]、PZT固定装置[3]和PZT元件[4]，侧边锁紧装置[2]位于主底板的两侧，PZT固定装置位于主底板[1]的中间下方，并与PZT元件[4]直接接触，两者成前后关系，其特征在于：其中主底板[1]由弹簧结构[1-1]、正向沉孔[1-2]、反向沉孔[1-3]以及位于中心位置的空腔[1-4]组成；移相器通过正向沉孔[1-2]固定在使用平台上，并通过反向沉孔[1-3]与被移动器件固定，PZT元件[4]通过PZT固定装置[3]固定在空腔[1-4]内；该移相器仅使用单个PZT元件[4]，力传递装置是两组刚性直弹簧结构[1-1]；

弹簧结构[1-1]分为上下两部分，这两部分将主底板[1]分成上中下三个部分，主底板[1]的上下两个部分由侧边锁紧装置[2]通过侧边锁紧螺丝[2-3]固定在一起，并通过正向沉孔[1-2]固定在整个移相器的使用平台上，正向沉孔[1-2]公差小于0.1mm，主底板[1]中间部分直接与PZT元件[4]接触，为可动部分；

弹簧结构[1-1]为力传递装置，弹簧结构[1-1]分为上下两部分，每一部分由一条长镂空结构和两条短镂空结构组成，弹簧结构[1-1]的上下两部分共同构成刚性应力直弹簧，弹簧结构[1-1]本身不具有位移放大作用，根据对位移量的要求不同，改变镂空结构的尺寸参数；

侧边锁紧装置[2]由侧边主板[2-1]、止螺[2-2]以及侧边锁紧螺丝[2-3]组成，止螺[2-2]以及侧边锁紧螺丝[2-3]的个数不少于4个，侧边锁紧装置[2]与主底板[1]的中间部分的侧边之间留有空隙，空隙大小为0.8~1.2mm；上述侧边做光滑处理，粗糙度控制在0.2以内，每颗止螺[2-1]均配有一颗钢珠，且在止螺[2-2]与主底板[1]中间部分侧边之间放置钢珠。

2.根据权利要求1所述的具有大伸长量的刚性直簧移相器，其特征在于：移相器的机械装置为左右对称结构，对称中心为空腔[1-4]的中轴线，并与PZT元件[4]的中轴线重合，空腔[1-4]的大小及形状由PZT元件[4]的尺寸决定，空腔内直接与PZT元件[4]接触的面加工平整。

3.根据权利要求1所述的具有大伸长量的刚性直簧移相器，其特征在于：移相器的主底板[1]材料为铜或钢，尺寸根据实际应用进行调整。

4.根据权利要求1所述的具有大伸长量的刚性直簧移相器，其特征在于：PZT锁紧螺丝[3-3]以钢珠作为连接与PZT元件[4]直接接触。

5.根据权利要求1所述的具有大伸长量的刚性直簧移相器，其特征在于：PZT固定装置[3]由PZT固定板[3-1]、PZT套筒[3-2]、PZT锁紧螺丝[3-3]以及两颗完全相同的PZT固定板锁紧螺丝[3-4]组成，PZT固定板[3-1]的左右两孔[3-1-2]上开有螺纹，由PZT固定板锁紧螺丝[3-4]紧固到主底板[1]上，上述固定板中间大孔[3-1-1]也开有螺纹，可供PZT锁紧螺丝[3-3]将PZT元件[4]紧固在空腔[1-4]中，PZT套筒[3-2]与大孔[3-1-1]对应位置上开有同样大小的通孔[3-2-1]，上述固定板中间螺孔[3-1-1]和边上螺孔[3-1-2]之间分别开有两个直径2mm的小孔[3-1-3]， PZT套筒[3-2]侧边与小孔[3-1-3]对应位置上开有凹槽[3-2-2]，再配合空腔[1-4]侧面开出的台阶槽，三者结合方便引导出PZT元件[4]的加电控制导线。

6.根据权利要求1所述的具有大伸长量的刚性直簧移相器，其特征在于：PZT锁紧螺丝[3-3]为止螺形式，且将止螺[2-2]及PZT锁紧螺丝[3-3]与钢珠的连接处加工成内圆锥结构，锥角为90°。

7.根据权利要求1所述的具有大伸长量的刚性直簧移相器，其特征在于：正向沉孔[1-2]和反向沉孔[1-3]的个数不少于4个。