CN104793328A - 物镜驱动台 - Google Patents

Abstract

本发明属于微驱动应用领域，涉及一种物镜驱动台，包括底座、固定在所述底座上的安装环、设置在所述底座上的铰链机构、固定在所述铰链机构上的物镜环和抵压在所述铰链机构上的致动件，所述物镜环设置在所述安装环的一侧且与所述安装环平行设置，所述铰链机构包括活动安装在所述底座上的移动部，所述压电陶瓷抵压在所述移动部上，所述致动件推动移动部的驱动力与物镜环的延伸线相交，该物镜驱动台通过设置铰链机构，并将物镜环设置在铰链机构上，设置抵持在移动部上的致动件，该致动件推动移动部的驱动力与物镜环的延伸线相交，从而利用铰链机构进行无间隙、无耦合将致动件微位移传动的运动放大，以有效地提高运动放大倍数及保证体积的紧凑性。

Description

物镜驱动台

技术领域

本发明属于微驱动应用领域，涉及一种物镜驱动台，具体涉及为利用铰链机构将输出位移进行放大的物镜驱动台。

背景技术

目前，在生物学中光学显微镜一直都是人们探索微观世界的有力工具,人们利用它不断对微观世界加深了认知。光学显微镜的发展对人类认识生命现象起着关键性作用。随着科技水平的不断进步，光学显微镜的应用领域在扩大延伸，同时也在不断的提高其成像质量。随着社会发展的需要，人们对显微样本内部三维结构观测的需求越来越大，这就对显微镜的分辨率提出了极高的要求。然而，传统光学显微镜的呈现清晰度完全取决于光学物镜的放大倍数，而当前光学物镜的最大放大倍数只能达到1600倍(人眼分辨的清晰度为1mm左右，以1600倍放大为例，最小观察精度0.625微米)。显然传统的光学显微镜在此已不能满足需求。

但目前现有物镜驱动装置一般采用电机驱动或者手调，此类装置具有精度达不到要求、响应时间慢、体积过大且噪声大等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种可提高运动放大倍数且能够保证体积的紧凑性的物镜驱动台。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种物镜驱动台，包括底座、固定在所述底座上的安装环、设置在所述底座上的铰链机构、固定在所述铰链机构上的物镜环和抵压在所述铰链机构上的致动件，所述物镜环设置在所述安装环的一侧且与所述安装环平行设置，所述铰链机构包括活动安装在所述底座上的移动部，所述压电陶瓷抵压在所述移动部上，所述致动件推动移动部的驱动力与物镜环的延伸线相交。

进一步的，所述铰链机构还包括与所述移动部平行设置的随动部、连接所述移动部和随动部的运动平台，所述随动部、移动部、运动平台及底座之间柔性铰链连接，所述物镜环固定在所述运动平台上。

进一步的，所述随动部、移动部、运动平台及底座围设形成一个平行四边形。

进一步的，所述致动件为压电陶瓷。

进一步的，所述移动部上设置有凹槽，所述凹槽内设置有滚珠，所述压电陶瓷抵压在所述滚珠上。

进一步的，所述移动部上还设置有可伸入至凹槽内的预紧顶丝，所述预紧顶丝与压电陶瓷相对设置在所述滚珠的两侧。

进一步的，所述压电陶瓷上设置有抵压所述滚珠的钨钢片。

进一步的，所述底座上设有端盖，所述压电陶瓷卡固在所述端盖上。

进一步的，所述压电陶瓷上连接有屏蔽线，所述底座上开设有供所述屏蔽线穿过的通孔。

进一步的，所述底座包括水平放置的底板、竖直设置在所述底板上的固定台，所述安装环固定在所述固定台上，所述运动平台位于所述固定台的后侧，所述固定台朝向运动平台侧设置有引导坡面，所述运动平台朝向固定台侧设置有与所述引导坡面配合的配合面。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的的物镜驱动台通过设置铰链机构，并将物镜环设置在铰链机构上，设置抵持在移动部上的致动件，该致动件推动移动部的驱动力与物镜环的延伸线相交，从而利用铰链机构进行无间隙、无耦合将致动件微位移传动的运动放大，以有效地提高运动放大倍数及保证体积的紧凑性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明物镜驱动台的主视图；

图2是图1的侧视图；

图3是图2的剖视图；

图4是图3中后盖板的结构图；

图5为图3中铰链结构的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图4，本发明一较佳实施例所述的一种物镜驱动台包括底座1、固定在所述底座1上的安装环2、设置在所述底座1上的铰链机构3、固定在所述铰链机构3上的物镜环4和抵压在所述铰链机构3上的压电陶瓷5。所述底座1包括水平放置的底板11、竖直设置在所述底板11上的固定台12，所述安装环2固定在所述固定台12上，所述安装环2通过预紧顶丝(未图示)固定在固定台12上，所述物镜环4设置在所述安装环2的一侧且与所述安装环2平行设置，所述安装环2与显微镜中的物镜(未图示)螺纹孔相连，物镜环4与显微镜的物镜(未图示)相连。所述铰链机构3固定在所述底板11上。

所述铰链机构3包括活动安装在所述底座1的底板11上的移动部31和随动部32及连接所述移动部31和随动部32的运动平台33，所述随动部32、移动部31、运动平台33及底座1之间铰链连接，其采用的铰链连接方式为柔性铰链38连接，以使得该铰链机构3紧凑、传动关系明确、无传动空程，并且无摩擦。所述移动部31相对随动部32设置，在本实施例中，所述移动部31与随动部32平行设置，该随动部32、移动部31、运动平台33及底座1围设形成一个平行四边形(如图5)。诚然，在其他实施方式中，该铰链机构3还可以为其他铰链四杆机构或者由铰链四杆机构变形后的其他铰链机构3(如滑块机构等)，但是，本实施例所采用的铰链机构为最优实施方式。所述物镜环4固定在所述运动平台33上，所述运动平台33和物镜环4上分别对应设置有螺纹孔(未图示)，安装时，通过预紧顶丝(未图示)将物镜环4固定在运动平台33上，所述运动平台33位于所述固定台12的后侧，在本实施例中，为了达到紧密配合，所述固定台12朝向运动平台33侧设置有引导坡面13，所述运动平台33朝向固定台12侧设置有与所述引导坡面13配合的配合面34。所述移动部31上设置有凹槽35，所述凹槽35内设置有滚珠36，该滚珠36可采用钢制滚珠。

所述铰链机构3与底座1均呈一体式结构，两者围设形成机械本体，所述压电陶瓷5设置在所述机械本体内，所述压电陶瓷5抵压在所述移动部31上，所述压电陶瓷5推动移动部31的驱动力与物镜环4的延伸线相交，通过铰链机构3可以将压电陶瓷5位移放大后带动物镜环4运动实现物镜纳米级定位。除了本实施例外，还可以采用其他致动件代替压电陶瓷5，如推杆。但本实施例采用压电陶瓷5的目的在于：压电陶瓷5是利用压电陶瓷5的逆压电效应来工作，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动、压电陶瓷5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，真空环境下使用等优点，可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、线性电动机和微波声学等领域。

所述压电陶瓷5抵压在所述滚珠36上，所述移动部31上还设置有可伸入至凹槽35内的预紧顶丝37，所述预紧顶丝37与压电陶瓷5相对设置在所述滚珠36的两侧。所述压电陶瓷5的两端分别设置有钨钢片6，该钨钢片6采用环氧胶粘连在压电陶瓷5上，其中一端的钨钢片6通过间隙配合卡固在底座1上，从而使得压电陶瓷5在机械本体内准确定位，在本实施例中，所述底座1上设置端盖14，所述压电陶瓷5卡固在所述端盖14上，端盖14上开设有卡固所述压电陶瓷5的T型卡槽141。所述压电陶瓷5上另一端的钨钢片6抵压所述滚珠36，通过将钨钢片6抵压在所述滚珠36上，从而使得移动部31与压电陶瓷5的端面不垂直时，也能保证压电陶瓷5不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护压电陶瓷5，减少了压电陶瓷5的损耗。所述压电陶瓷5上连接有屏蔽线(未图示)，所述底座1上开设有供所述屏蔽线穿过的通孔15。

上述压电陶瓷5的安装方式如下：滚珠36通过过盈配合嵌入预紧顶丝37，粘有钨钢片6的压电陶瓷5与嵌有滚珠36的预紧顶丝37通过点面接触相连接(即运动高副)，其好处在于即使移动部31与压电陶瓷5的端面不垂直时，也能保证压电陶瓷5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5，减少了压电陶瓷5的损耗。在此需要说明的是，由于预紧顶丝37在旋入螺纹孔之后必定会存在一定的螺纹间隙和松动导致压电陶瓷5无法预紧，在本实施例中，一方面采用了M4*0.35的细牙螺纹来消除间隙并通过预紧顶丝37达到微调的目的；另一方面使用两个预紧顶丝37，使两个预紧顶丝37的受力方向相反达到防松的目的，具体实施时通过调节预紧顶丝37的松紧为所述压电陶瓷5提供足够的预紧力。当安装完压电陶瓷5及调节好预紧力之后，将端盖14粘连在机械本体4上，达到保护压电陶瓷5和铰链机构3的目的。

请结合图5，上述物镜驱动台的工作原理如下：图5中C、D点分别为运动平台33与移动部31和随动部32的铰接点，A、E为移动部31、随动部32与底座1的铰接点，B点为压电陶瓷5所产生的力F对移动部31的推力点(即滚珠36所在位置)，当压电陶瓷5在X向(横向)输入一小位移Sx时，在运动平台33即获得一大位移输出X，其比值为C＝X/Sx(位移输出比)。由图5中可以看出该铰链机构3在输出X向位移时存在一个Z向的耦合位移，通过理论计算可知当位移输出在几百微米级别时，Z向的耦合位移为X向的千分之一，可忽律不计。由杠杆原理可知，此类铰链机构3的理论放大倍数值为C＝AC/AB,即可通过调节B点的位置使得在最紧凑的结构条件下放大倍数达到一个最优值，C的最优取值为7至14。但实际使用中C值会小于最优值，一方面是因为柔性铰链38会有一定的弹性反力产生，使得该铰链机构3的输出位移相应的减少；另一方面柔性铰链38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5受较大的载荷，使其提供的驱动位移亦有减小。本发明由于将压电陶瓷5直接设置在机械本体内，压电陶瓷5除机械本体四周壁壳外，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5确定的情况下，此结构能够获得更大的位移输出比。由于上述工作原理，使用物镜驱动台时，通过施加电压激励的方式驱动压电陶瓷5致动实现安装在物镜环4上的显微镜物镜精密直线运动，实现显微镜物镜微米级运动。

在本实施例中，由于铰链机构3采用柔性铰链38，微小的位移是通过材料的弹性形变产生的。通常情况下，材料的弹性变形和输出力与材料的弹性模量E以及其屈服极限σs成正比，为了增大柔性铰链38的运动范围，在一定程度上来说，所选柔性铰链38材料的弹性模量E以及屈服极限σs愈大愈好，同时必须满足以下要求：1.柔性铰链38的最大变形时的恢复力要小于压电陶瓷5的最大驱动力；2.柔性铰链38最大变形时的最大应力要小于材料的许用应力。综合以上因数，铍青铜、钛合金、弹簧钢和超硬铝在变形方面比较好，但是钛合金一般都比较昂贵，很少采用铍青铜是有毒材料，会给使用带来很多不便，弹簧钢的密度太大，故本实施例中所用材料为超硬铝。其它零件所用材料为：压电陶瓷5使用锆钛酸铅(PZT)、预紧顶丝37和装饰性封堵均使用普通钢材Q235并进行发黑处理。钨钢片6采用钨钢(硬质合金)，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。

综上所述，上述物镜驱动台通过设置铰链机构3，并将物镜环4设置在铰链机构3上，设置抵持在移动部31上的压电陶瓷5，该压电陶瓷5推动移动部31的驱动力与物镜环4的延伸线相交，从而利用铰链机构3进行无间隙、无耦合将压电陶瓷5微位移传动的运动放大，以有效地提高运动放大倍数及保证体积的紧凑性，实现纳米级定位，相对现有技术，其可以解决目前物镜驱动装置一般采用电机驱动或者手调，定位精度达不到要求、响应时间慢、体积过大且噪声大的问题。

另外，又结合采用压电陶瓷5，从而依靠压电陶瓷5驱动电源的电压激励，实现运动平台33的微型位移，以实现显微镜物镜的纳米级定位。上述物镜驱动台的底座1和铰链机构3均呈一体式结构，即由整块金属经数控铣、钻和线切割等工艺加工形成自身连接的整体，以使结构紧凑，且当外形尺寸受限且压电陶瓷5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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种物镜驱动台，其特征在于：包括底座、固定在所述底座上的安装环、设置在所述底座上的铰链机构、固定在所述铰链机构上的物镜环和抵压在所述铰链机构上的致动件，所述物镜环设置在所述安装环的一侧且与所述安装环平行设置，所述铰链机构包括活动安装在所述底座上的移动部，所述压电陶瓷抵压在所述移动部上，所述致动件推动移动部的驱动力与物镜环的延伸线相交。

2.根据权利要求1所述的物镜驱动台，其特征在于：所述铰链机构还包括与所述移动部平行设置的随动部、连接所述移动部和随动部的运动平台，所述随动部、移动部、运动平台及底座之间柔性铰链连接，所述物镜环固定在所述运动平台上。

3.根据权利要求2所述的物镜驱动台，其特征在于：所述随动部、移动部、运动平台及底座围设形成一个平行四边形。

4.根据权利要求1所述的物镜驱动台，其特征在于：所述致动件为压电陶瓷。

5.根据权利要求4所述的物镜驱动台，其特征在于：所述移动部上设置有凹槽，所述凹槽内设置有滚珠，所述压电陶瓷抵压在所述滚珠上。

6.根据权利要求5所述的物镜驱动台，其特征在于：所述移动部上还设置有可伸入至凹槽内的预紧顶丝，所述预紧顶丝与压电陶瓷相对设置在所述滚珠的两侧。

7.根据权利要求5述的物镜驱动台，其特征在于：所述压电陶瓷上设置有抵压所述滚珠的钨钢片。

8.根据权利要求4所述的物镜驱动台，其特征在于：所述底座上设有端盖，所述压电陶瓷卡固在所述端盖上。

9.根据权利要求7所述的物镜驱动台，其特征在于：所述压电陶瓷上连接有屏蔽线，所述底座上开设有供所述屏蔽线穿过的通孔。

10.根据权利要求2所述的物镜驱动台，其特征在于：所述底座包括水平放置的底板、竖直设置在所述底板上的固定台，所述安装环固定在所述固定台上，所述运动平台位于所述固定台的后侧，所述固定台朝向运动平台侧设置有引导坡面，所述运动平台朝向固定台侧设置有与所述引导坡面配合的配合面。