CN103056868A - 基于位移传感器的二维微动台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于位移传感器的二维微动台，包括二维驱动工作台、二维位移传感器及连接板，二维驱动工作台包括微动台基体，微动台基体内设有传感器连接台、压电陶瓷放置区和杠杆放大机构，二维位移传感器为二维梳齿位移传感器，包括传感器基体、位于传感器基体中间且与传感器连接台相连的连接块以及与传感器基体和连接块相连的传感器梳齿检测区。本发明二维微动台器行程大，可实现全闭环控制，其具有结构紧凑、体积小、集成度高、精度高的特点，同时在二维检测方面实现了有效的解耦，所以此种结构的微动台的应用会越来越广泛。
Description
技术领域
本发明涉及二维微动台技术领域，特别是涉及一种基于位移传感器的二维微动台。
背景技术
微驱动技术是微机电系统研究的重要内容，应用于精密自动控制与微细操作等领域，直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节，在微机电系统的研究及微型产品的研制开发中发挥着重要的作用。
微驱动机器人在微零件装配、微机电系统(MEMS)、医学、精密光学等领域有着广泛的应用前景。而微驱动台作为微装配机器人的核心执行部分，直接决定机器人的工作效果。研究具有微位移反馈检测功能的微动台是微驱动机器人研究中的一个重点和难点。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于位移传感器的二维微动台。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种集成度高、结构紧凑、并且具有精确位移反馈功能的基于位移传感器的二维微动台。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于位移传感器的二维微动台，所述二维微动台包括二维驱动工作台和位于二维驱动工作台上的二维位移传感器，所述二维驱动工作台包括微动台基体，微动台基体内设有传感器连接台以及位于传感器连接台外侧的压电陶瓷放置区和杠杆放大机构，所述压电陶瓷放置区与杠杆放大机构、杠杆放大机构与微动台基体、杠杆放大机构与传感器连接台通过支撑柔性梁固定连接，所述二维位移传感器为二维梳齿位移传感器，包括传感器基体、位于传感器基体中间且与所述传感器连接台相连的连接块以及与传感器基体和连接块相连的传感器梳齿检测区。
作为本发明的进一步改进，所述传感器梳齿检测区设有若干梳齿组，梳齿组包括与传感器基体相连的静齿组和与连接块相连的动齿组。
作为本发明的进一步改进，所述动齿组与连接块之间通过若干柔性梁固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述梳齿组包括若干相对垂直设置的X向梳齿组和Y向梳齿组。
作为本发明的进一步改进，所述二维位移传感器为硅基MEMS电容式位移传感器。
作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷放置区包括相对垂直设置的X向压电陶瓷放置区和Y向压电陶瓷放置区，所述杠杆放大机构包括相对垂直设置的X向杠杆放大机构和Y向杠杆放大机构，所述X向压电陶瓷放置区和X向杠杆放大机构、Y向压电陶瓷放置区和Y向杠杆放大机构分别通过支撑柔性梁固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述传感器连接台四周连接有与支撑柔性梁相连的用于实现运动解耦的解耦柔性梁。
作为本发明的进一步改进，所述二维驱动工作台和二维位移传感器中间通过连接板固定连接，连接板中间位置设有过孔，所述连接块通过过孔与传感器连接台相连接。
作为本发明的进一步改进，所述连接块四个角部设有向上凸出的连接块支撑部，用于支撑所述二维位移传感器。
本发明的有益效果是：二维微动台器行程大，可实现全闭环控制，其具有结构紧凑、体积小、集成度高、精度高的特点，同时在二维检测方面实现了有效的解耦，所以此种结构的微动台的应用会越来越广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一优选实施方式中基于位移传感器的二维微动台的立体结构示意图；
图2为本发明一优选实施方式中二维驱动工作台的立体结构示意图；
图3为本发明一优选实施方式中二维位移传感器的立体结构示意图；
图4为本发明一优选实施方式中连接二维驱动工作台和二维位移传感器的连接板的立体结构示意图。
其中：
1 二维驱动工作台 1-1 微动台基体
1-2 杠杆放大机构 1-3 压电陶瓷放置区
1-4 传感器连接台 1-5 解耦柔性梁
1-6 支撑柔性梁 2 二维位移传感器
2-1 传感器基体 2-2 传感器梳齿检测区
2-3 连接块 2-4 柔性梁
3 连接板 3-1 连接块支撑部
3-2 过孔
具体实施方式
本发明公开了一种基于位移传感器的二维微动台，二维微动台包括二维驱动工作台和位于二维驱动工作台上的二维位移传感器，二维驱动工作台包括微动台基体，微动台基体内设有传感器连接台以及位于传感器连接台外侧的压电陶瓷放置区和杠杆放大机构，压电陶瓷放置区与杠杆放大机构、杠杆放大机构与微动台基体、杠杆放大机构与传感器连接台通过支撑柔性梁固定连接，二维位移传感器为二维梳齿位移传感器，包括传感器基体、位于传感器基体中间且与传感器连接台相连的连接块以及与传感器基体和连接块相连的传感器梳齿检测区。
优选地，上述传感器梳齿检测区设有若干梳齿组，梳齿组包括与传感器基体相连的静齿组和与连接块相连的动齿组。
优选地，上述动齿组与连接块之间通过若干柔性梁固定连接。
优选地，上述梳齿组包括若干相对垂直设置的X向梳齿组和Y向梳齿组。
优选地，上述二维位移传感器为硅基MEMS电容式位移传感器。
优选地，上述压电陶瓷放置区包括相对垂直设置的X向压电陶瓷放置区和Y向压电陶瓷放置区，杠杆放大机构包括相对垂直设置的X向杠杆放大机构和Y向杠杆放大机构，X向压电陶瓷放置区和X向杠杆放大机构、Y向压电陶瓷放置区和Y向杠杆放大机构分别通过支撑柔性梁固定连接。
优选地，上述传感器连接台四周连接有与支撑柔性梁相连的用于实现运动解耦的解耦柔性梁。
优选地，上述二维驱动工作台和二维位移传感器中间通过连接板固定连接，连接板中间位置设有过孔，连接块通过过孔与传感器连接台相连接。
优选地，上述连接块四个角部设有向上凸出的连接块支撑部，用于支撑二维位移传感器。
本发明二维微动台器行程大，可实现全闭环控制，其具有结构紧凑、体积小、集成度高、精度高的特点，同时在二维检测方面实现了有效的解耦。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明一优选实施方式中基于位移传感器的二维微动台，包括二维驱动工作台1和位于二维驱动工作台1上的二维位移传感器2，二维驱动工作台1和二维位移传感器2中间通过连接板3固定连接。
结合图2所示，二维驱动工作台1包括微动台基体1-1，微动台基体1-1内设有传感器连接台1-4以及位于传感器连接台1-4外侧的压电陶瓷放置区1-3和杠杆放大机构1-2，压电陶瓷放置区1-3与杠杆放大机构1-2、杠杆放大机构1-2与微动台基体1-1、杠杆放大机构1-2与传感器连接台1-4通过支撑柔性梁1-6固定连接，传感器连接台1-4四周连接有与支撑柔性梁1-6相连的用于实现运动解耦的解耦柔性梁1-5。优选地，本实施方式中支撑柔性梁1-6设置为双圆弧形。
其中，压电陶瓷放置区1-3包括相对垂直设置的X向压电陶瓷放置区和Y向压电陶瓷放置区，杠杆放大机构1-2包括相对垂直设置的X向杠杆放大机构和Y向杠杆放大机构，X向压电陶瓷放置区和X向杠杆放大机构、Y向压电陶瓷放置区和Y向杠杆放大机构分别通过支撑柔性梁1-6固定连接。
本实施方式中将X向杠杆放大机构和Y向杠杆放大机构设计成对称结构(相对工作台对角线进行对称布置)，可以有效平衡X向和Y向杠杆放大机构的不对称刚度，进而有效减小运动耦合。
工作时将两块压电陶瓷分别固定在压电陶瓷放置区1-3，压电陶瓷伸长量通过杠杆放大机构1-2和支撑柔性梁1-6将运动传递到传感器连接台1-4上，传感器连接台1-4可以在平面内二维运动，然后由解耦柔性梁1-5实现运动解耦。
参图3所示，二维位移传感器2为二维梳齿位移传感器，包括传感器基体2-1、位于传感器基体2-1中间且与传感器连接台1-4相连的连接块2-3以及与传感器基体2-1和连接块2-3相连的传感器梳齿检测区2-2。连接块2-3的大小与传感器连接台1-4的大小大致相同。传感器梳齿检测区2-2设有4组梳齿组，梳齿组包括与传感器基体2-1相连的静齿组和与连接块2-3相连的动齿组。4组梳齿组分为相对垂直设置的2组X向梳齿组和2组Y向梳齿组，分别检测平面内X和Y向位移。优选地，二维位移传感器2为通过MEMS工艺加工的硅基MEMS电容式位移传感器。
梳齿组的动齿组通过柔性梁2-4与连接块2-3固定相连，当传感器连接台1-4在平面内二维运动时，与传感器连接台1-4固定相连的连接块2-3也在平面内进行对应的二维运动，柔性梁2-4可实现连接块2-3运动时的解耦。
二维驱动工作台1和二维位移传感器2通过连接板3固定连接，结合图4所示，连接板3中间位置设有过孔3-2，过孔3-2的大小与连接块2-3及传感器连接台1-4的大小对应设置，连接块2-3通过过孔3-2与传感器连接台1-4相连接。在连接块3四个角部设有向上凸出的连接块支撑部3-1，用于支撑二维位移传感器2。
本发明利用MEMS工艺加工二维位移传感器，并将二维位移传感器(除传感器梳齿检测区外)边缘尺寸做大，便于与二维驱动工作台机械结构部分进行连接。既保留了MEMS工艺加工的传感器精度高、集成度高的优点，实现了二维检测，同时解决了与机械结构简易连接的问题。
根据上述方法设置的二维微动台可实现行程20微米范围、位移精度2nm的检测和闭环控制。
由以上技术方案可以看出，本发明二维微动台器行程大，可实现全闭环控制，其具有结构紧凑、体积小、集成度高、精度高的特点，同时在二维检测方面实现了有效的解耦，所以此种结构的微动台的应用会越来越广泛。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种基于位移传感器的二维微动台，其特征在于，所述二维微动台包括二维驱动工作台和位于二维驱动工作台上的二维位移传感器，所述二维驱动工作台包括微动台基体，微动台基体内设有传感器连接台以及位于传感器连接台外侧的压电陶瓷放置区和杠杆放大机构，所述压电陶瓷放置区与杠杆放大机构、杠杆放大机构与微动台基体、杠杆放大机构与传感器连接台通过支撑柔性梁固定连接，所述二维位移传感器为二维梳齿位移传感器，包括传感器基体、位于传感器基体中间且与所述传感器连接台相连的连接块以及与传感器基体和连接块相连的传感器梳齿检测区。
2.根据权利要求1所述的二维微动台，其特征在于，所述传感器梳齿检测区设有若干梳齿组，梳齿组包括与传感器基体相连的静齿组和与连接块相连的动齿组。
3.根据权利要求2所述的二维微动台，其特征在于，所述动齿组与连接块之间通过若干柔性梁固定连接。
4.根据权利要求2所述的二维微动台，其特征在于，所述梳齿组包括若干相对垂直设置的X向梳齿组和Y向梳齿组。
5.根据权利要求1所述的二维微动台，其特征在于，所述二维位移传感器为硅基MEMS电容式位移传感器。
6.根据权利要求1所述的二维微动台，其特征在于，所述压电陶瓷放置区包括相对垂直设置的X向压电陶瓷放置区和Y向压电陶瓷放置区，所述杠杆放大机构包括相对垂直设置的X向杠杆放大机构和Y向杠杆放大机构，所述X向压电陶瓷放置区和X向杠杆放大机构、Y向压电陶瓷放置区和Y向杠杆放大机构分别通过支撑柔性梁固定连接。
7.根据权利要求1所述的二维微动台，其特征在于，所述传感器连接台四周连接有与支撑柔性梁相连的用于实现运动解耦的解耦柔性梁。
8.根据权利要求1所述的二维微动台，其特征在于，所述二维驱动工作台和二维位移传感器中间通过连接板固定连接，连接板中间位置设有过孔，所述连接块通过过孔与传感器连接台相连接。
9.根据权利要求8所述的二维微动台，其特征在于，所述连接块四个角部设有向上凸出的连接块支撑部，用于支撑所述二维位移传感器。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191205 Address after: Room 1706, block B, building 2, Lifeng business center, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Suzhou Xinmu Intellectual Property Service Co.,Ltd. Address before: 215123 No. 199 benevolence Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, China Patentee before: Soochow University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221206 Address after: 276000 east of Yanbin Road, Feixian Economic Development Zone, Linyi City, Shandong Province Patentee after: Shandong Quanyi Machinery Manufacturing Co.,Ltd. Address before: Room 1706, block B, building 2, Lifeng business center, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee before: Suzhou Xinmu Intellectual Property Service Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230601 Address after: No. 403, Building 11, Wenhua Garden, Wenhua Road, Longjiang Town, Shunde District, Foshan City, Guangdong Province, 528000 Patentee after: Li Ziping Address before: 276000 east of Yanbin Road, Feixian Economic Development Zone, Linyi City, Shandong Province Patentee before: Shandong Quanyi Machinery Manufacturing Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150819 |