CN104766634B - 压电式二维串联小体积工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式二维串联小体积工作台，其包括：平台底座、连接块、第一平行四边形放大机构、第二平行四边形放大机构、运动块；第一平行四边形放大机构位于平台底座上，第二平行四边形放大机构与第一平行四边形放大机构通过连接块相串联，且第二平行四边形放大机构与第一平行四边形放大机构正交垂直设置，第二平行四边形放大机构同时与运动块相连接；第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构中的任一个包括：平行四边形放大机构本体、预紧顶丝、压电陶瓷致动器、钨钢片、钢制滚珠、封堵。本发明的压电式二维串联小体积工作台避免了在运动过程中产生的耦合误差，并采用平行四边形放大机构实现了在结构更紧凑的前提下输出更大位移。

Description

压电式二维串联小体积工作台

技术领域

本发明涉及微驱动技术领域，特别是涉及一种压电式二维串联小体积工作台。

背景技术

目前，压电陶瓷致动器件所具有的优点已得到广泛的承认和应用。压电陶瓷致动器件是利用压电材料的逆压电效应来工作的，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动，其克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足。具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、响应快、无发热、不受磁场干扰、可在低温，真空度环境下使用等优点，被广泛应用于微定位技术中。例如物镜精密定位、大行程纳米对准系统、高精度显微纳米压印、主动减震、掩模与晶圆对准、光刻、光学干涉、光纤对接、亚纳米测量、光盘测试、光学测试、流体控制阀、声学仪器换能器、线性电动机和微波声学等领域，这种可控的精密微位移执行器必将在今后诸多技术领域中发挥难以估量的作用。

二维大行程小体积精密微定位平台主要是以压电陶瓷致动器件作为驱动源，依靠压电陶瓷驱动电源的电压激励，实现压电陶瓷致动器件的微位移形变，并通过柔性铰链柔性机构进行无间隙的微位移传动，从而实现被驱动样件的二维精密定位。其相对于其他驱动方式的二维精密定位技术，如电机驱动、音圈电机驱动、记忆合金驱动及磁滞伸缩驱动方式等，其基本原理实现方便、控制简单，并具有分辨率高、传动无间隙、易微小化、运动精度高和重复定位精度高等优点。它在微驱动各个领域，如微机电系统、光学调整、超精密加工等方面都是必不可少的，特别是在生物细胞操作、STM和AFM显 微镜扫描平台等腔体空间很小的场合，有着广阔的应用前景，并能产生巨大的社会及经济效益。现已成为微驱动精密定位领域中不可或缺的关键技术之一。其中二维精密定位平台，主要功能是实现被操作样件或被观测样件的二维精密运动和定位，以及微探针的二维操作等。

目前根据二维运动实现方式的不同，二维精密定位平台主要分为串联式二维精密定位平台和嵌套式二维精密定位平台。根据位移放大方式的不同，又分为直接驱动、杠杆式放大、椭圆放大、菱形放大和平行四边形放大式的二维精密定位平台。但是，现有的精密定位装置中存在体积过大、行程过小、定位精度达不到要求、响应时间慢等问题。

因此，针对上述问题，有必要提供一种压电式二维串联小体积工作台。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种压电式二维串联小体积工作台，以克服现有技术中存在的不足。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种压电式二维串联小体积工作台，其包括：平台底座、连接块、第一平行四边形放大机构、第二平行四边形放大机构、运动块；

所述第一平行四边形放大机构位于所述平台底座上，所述第二平行四边形放大机构与所述第一平行四边形放大机构通过所述连接块相串联，且所述第二平行四边形放大机构与所述第一平行四边形放大机构正交垂直设置，所述第二平行四边形放大机构的运动方向与所述第一平行四边形放大机构的运动方向相垂直，所述第二平行四边形放大机构同时与所述运动块相连接；

所述第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构中的任一个包括：平行四边形放大机构本体、预紧顶丝、压电陶瓷致动器、钨钢片、钢制滚珠、封堵；所述压电陶瓷致动器位于所述平行四边形放大机构本体内部， 所述预紧顶丝、钨钢片、钢制滚珠、封堵设置于所述压电陶瓷致动器的一端。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述平行四边形放大机构本体具有：第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点、第五铰链点，所述第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点位于所述平行四边形放大机构本体的一端，所述第四铰链点、第五铰链点位于所述平行四边形放大机构本体的另一端；

所述第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点为纯滚动铰链点，所述第四铰链点、第五铰链点为非固定滚动铰链点。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点、第五铰链点为柔性铰链。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述各个柔性铰链的最大形变时的恢复力小于所述压电陶瓷致动器的最大驱动力，所述柔性铰链最大应力小于所述平行四边形放大机构本体自身的许用应力。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述压电陶瓷致动器一端粘接于所述钨钢片上，另一端与所述第五铰链点对应的平面相接触。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述钢制滚珠位于所述钨钢片和预紧顶丝之间，所述钢制滚珠与所述预紧顶丝进行过盈配合，同时与所述钨钢片相抵靠，所述封堵位于所述预紧顶丝的另一侧。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述预紧顶丝包括第一预紧顶丝和第二预紧顶丝，所述第一预紧顶丝和第二预紧顶丝的螺纹方向相反。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述预紧顶丝的螺纹为M4*0.35的细牙螺纹。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述连接块与所述第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构之间通过螺丝进行固定 连接，所述第二平行四边形放大机构与所述运动块之间通过螺丝进行固定连接。

作为本发明的压电式二维串联小体积工作台的改进，所述第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构分别一体加工而成的一体件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的压电式二维串联小体积工作台避免了在运动过程中产生的耦合误差，并采用平行四边形放大机构实现了在结构更紧凑的前提下输出更大位移，可将输入的位移放大5-10倍。同时，本发明的压电式二维串联小体积工作台在微机电系统、光学调整、超精密加工、STM和AFM显微镜扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域因其结构紧凑和易大范围精确定位而拥有广泛的应用前景。

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为本发明的压电式二维串联小体积工作台一具体实施方式的立体示意图；

图2为图1中第一平行四边形放大机构或第二平行四边形放大机构的平面示意图；

图3为图2中第一平行四边形放大机构或第二平行四边形放大机构的剖视图；

图4(1)、图4(2)为第一平行四边形放大机构、以及第二平行四边形放大机构的运动原理图，其中，图4(1)为压电陶瓷致动器驱动前的原理图，图4(2)为受到压电陶瓷致动器驱动后的原理图。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明公开一种压电式二维串联小体积工作台，其包括：平台底座10、连接块20、第一平行四边形放大机构30、第二平行四边形放大机构40、运动块50。

其中，所述第一平行四边形放大机构30位于所述平台底座10上，优选地，其与平台底座10之间可通过螺钉进行固定连接。所述第二平行四边形放大机构40与所述第一平行四边形放大机构30通过所述连接块20相串联，且所述第二平行四边形放大机构40与所述第一平行四边形放大机构30正交垂直设置，所述第二平行四边形放大机构40的运动方向与所述第一平行四边形放大机构30的运动方向相垂直，所述第二平行四边形放大机构40同时与所述运动块相连接。所述正交垂直设置是指第一平行四边形放大机构30与第二平行四边形放大机构40分别位于相互垂直的平面内，即第一平行四边形放大机构30与第二平行四边形放大机构40相互正交串联实现工作台的精密驱动。且可将输入的位移放大5-10倍。

如图2、3所示，所述第一平行四边形放大机构30和第二平行四边形放大机构40中的任一个包括：平行四边形放大机构本体1、预紧顶丝2、压电陶瓷致动器3、钨钢片4、钢制滚珠5、封堵6。所述压电陶瓷致动器3位于所述平行四边形放大机构本体内部，所述预紧顶丝2、钨钢片4、钢制滚珠5、封堵6设置于所述压电陶瓷致动器3的一端。

所述第一平行四边形放大机构30一端固定于所述平台底座10上，所述 连接块20与所述第一平行四边形放大机构30和第二平行四边形放大机构40之间通过螺丝进行固定连接，相类似地，所述第二平行四边形放大机构40与所述运动块50之间也可通过螺丝进行固定连接。

从而，第一平行四边形放大机构30中的压电陶瓷致动器3输出位移时，平行四边形放大机构本体1相应带动连接块20沿第一方向运动，由于连接块20同时与第二平行四边形放大机构40相连接，且第一平行四边形放大机构30与第二平行四边形放大机构40正交垂直，连接块20则通过第二平行四边形放大机构40带动运动块50向第一方向发生运动。当第二平行四边形放大机构40中的压电陶瓷致动器3单独输出位移时，则第二平行四边形放大机构40带动运动块50向与第一方向垂直的第二方向发生运动。如此设置，可避免工作台在运动过程中产生耦合误差。

进一步地，所述平行四边形放大机构本体1具有：第一铰链点1-1、第二铰链点1-2、第三铰链点1-3、第四铰链点1-4、第五铰链点1-5。从而，所述第一铰链点1-1、第二铰链点1-2、第三铰链点1-3位于所述平行四边形放大机构本体1的一端，所述第四铰链点1-4、第五铰链点1-5位于所述平行四边形放大机构本体1的另一端。其中，所述第一铰链点1-1、第二铰链点1-2、第三铰链点1-3为纯滚动铰链点，所述第四铰链点1-4、第五铰链点1-5为非固定滚动铰链点。且所述第一铰链点1-1、第二铰链点1-2、第三铰链点1-3、第四铰链点1-4、第五铰链点1-5为柔性铰链。

上述实施方式中，所述各个柔性铰链的最大形变时的恢复力小于所述压电陶瓷致动器的最大驱动力，所述柔性铰链最大应力小于所述平行四边形放大机构本体自身的许用应力。从而，平行四边形放大机构本体1的材质优选为超硬铝。此外，压电陶瓷致动器3的材质为锆钛酸铅，预紧顶丝2和封堵6的材质为经过发黑处理的普通钢材，钨钢片4的材质为钨钢，其具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。

此外，所述第一平行四边形放大机构30和第二平行四边形放大机构40分别一体加工而成的一体件。如此，使得本发明的压电式二维串联小体积工作台结构紧凑，且当外形尺寸受限且压电陶瓷致动器确定的情况下，此结构能够获得更大的位移输出比，而且避免了传动中的空程和摩擦等约束对其精度的影响。

如图4(1)、4(2)所述，当压电陶瓷致动器3对第五铰链点1-5施加推力F时，平行四边形放大机构本体1则会绕着第一铰链点1-1旋转。从而，压电陶瓷致动器3产生位移Sx时，平行四边形放大机构本体1则获得一大位移输出Sy，其比值为C1＝Sy/Sx。由杠杆原理可知，平行四边形放大机构本体1的理论放大倍数值为第一铰链点1-1与第三铰链点1-3之间的距离与第一铰链带你1-1与第五铰链点1-5之间的距离的比值。即可通过调节压电陶瓷致动器3安装点的位置以及第一铰链点1-1与第三铰链点1-3之间的距离使得在结构最紧凑的条件下放大倍数达到一个最优值。该最优质为7至14。但实际使用中放大倍数会小于最优值，一方面是因为柔性的放大机构会有一定的弹性反力产生，使得平行四边形放大机构的输出位移相应的减少；另一方面柔性铰链是由于材料的弹性形变产生的位移，所以在形变过程中有一部分能量被材料本身吸收，同时会使压电陶瓷受较大的载荷，使其提供的驱动位移亦有减小。

因此，本发明的平行四边形放大机构本体1除压电陶瓷致动器3的四周壁壳外，没有多余的结构元，可见其结构是非常紧凑的，且当外形尺寸受限，压电陶瓷致动器3确定的情况下，本发明的平行四边形放大机构本体1能够获得更大的位移输出比。

进一步地，所述压电陶瓷致动器3一端粘接于所述钨钢片4上，另一端与所述第五铰链点1-5对应的平面相接触。所述钢制滚珠5位于所述钨钢片4和预紧顶丝2之间，所述钢制滚珠5与所述预紧顶丝2进行过盈配合，同时 与所述钨钢片4相抵靠，所述封堵6位于所述预紧顶丝2的另一侧。如此设置，使得压电陶瓷致动器3的端面即使不垂直也能保证压电陶瓷致动器3不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护的压电陶瓷致动器3，减少了压电陶瓷致动器3的损耗。

此外，为了防止预紧顶丝2发生松动，所述预紧顶丝2包括第一预紧顶丝21和第二预紧顶丝22，其中，所述第一预紧顶丝21和第二预紧顶丝22的螺纹方向相反。优选地，所述预紧顶丝2的螺纹为M4*0.35的细牙螺纹。

与现有技术相比，本发明的压电式二维串联小体积工作台避免了在运动过程中产生的耦合误差，并采用平行四边形放大机构实现了在结构更紧凑的前提下输出更大位移，可将输入的位移放大5-10倍。同时，本发明的压电式二维串联小体积工作台在微机电系统、光学调整、超精密加工、STM和AFM显微镜扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域因其结构紧凑和易大范围精确定位而拥有广泛的应用前景。

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合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述工作台包括：平台底座、连接块、第一平行四边形放大机构、第二平行四边形放大机构、运动块；

所述第一平行四边形放大机构位于所述平台底座上，所述第二平行四边形放大机构与所述第一平行四边形放大机构通过所述连接块相串联，且所述第二平行四边形放大机构与所述第一平行四边形放大机构正交垂直设置，所述第二平行四边形放大机构的运动方向与所述第一平行四边形放大机构的运动方向相垂直，所述第二平行四边形放大机构同时与所述运动块相连接；

所述第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构中的任一个包括：平行四边形放大机构本体、预紧顶丝、压电陶瓷致动器、钨钢片、钢制滚珠、封堵；所述压电陶瓷致动器位于所述平行四边形放大机构本体内部，所述预紧顶丝、钨钢片、钢制滚珠、封堵设置于所述压电陶瓷致动器的一端。

2.根据权利要求1所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述平行四边形放大机构本体具有：第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点、第五铰链点，所述第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点位于所述平行四边形放大机构本体的一端，所述第四铰链点、第五铰链点位于所述平行四边形放大机构本体的另一端；

所述第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点为纯滚动铰链点，所述第四铰链点、第五铰链点为非固定滚动铰链点。

3.根据权利要求2所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点、第五铰链点均为柔性铰链。

4.根据权利要求3所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述各个柔性铰链的最大形变时的恢复力小于所述压电陶瓷致动器的最大驱动力，所述柔性铰链最大应力小于所述平行四边形放大机构本体自身的许用 应力。

5.根据权利要求2所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述压电陶瓷致动器一端粘接于所述钨钢片上，另一端与所述第五铰链点对应的平面相接触。

6.根据权利要求1所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述钢制滚珠位于所述钨钢片和预紧顶丝之间，所述钢制滚珠与所述预紧顶丝进行过盈配合，同时与所述钨钢片相抵靠，所述封堵位于所述预紧顶丝的另一侧。

7.根据权利要求6所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述预紧顶丝包括第一预紧顶丝和第二预紧顶丝，所述第一预紧顶丝和第二预紧顶丝的螺纹方向相反。

8.根据权利要求7所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述预紧顶丝的螺纹为M4*0.35的细牙螺纹。

9.根据权利要求1所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述连接块与所述第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构之间通过螺丝进行固定连接，所述第二平行四边形放大机构与所述运动块之间通过螺丝进行固定连接。

10.根据权利要求1所述的压电式二维串联小体积工作台，其特征在于，所述第一平行四边形放大机构和第二平行四边形放大机构为分别一体加工而成的一体件。