CN106297900B - 一种z轴微旋转平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Z轴微旋转平台，包括台体和设置在台体内的动台体，动台体的四个直角与台体之间连接有柔性铰链，连接动台体两对角的柔性铰链的中心线与动台体相应的对角线在同一条直线上；台体内设置有两伸入动台体内部的压电陶瓷，两压电陶瓷分别从动台体两平行的侧壁伸入动台体内部，且两压电陶瓷相对动台体的中心呈对角关系；台体内还安装有与压电陶瓷端部相抵的预紧顶丝。本发明通过设置两相对动台体的中心呈对角关系的压电陶瓷，在压电陶瓷通电情况下，能够驱使动台体以其中心为轴心进行旋转，且由于两压电陶瓷对角设置，在工作时能相互消除两自由度上的耦合位移，不会产生旋转误差，定位精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于超精密加工、细胞微操作等微/纳米定位系统中的微位移机构，尤其涉及一种Z轴微旋转平台。
背景技术
随着科技的发展，在超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域都迫切需要亚微米级甚至纳米级的精密定位技术。最典型的应用在于纳米器件的制造生产。纳米器件包括纳米电子器件和纳米光电器件，可广泛应用于电子学、光学、微机械装置、新型计算机等，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域，也是元器件小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国防价值，使得其设计和制造的方法、途径、工艺等成为众多科学家、政府和大型企业研究和投资的热点。所以大力发展精密定位技术是大势所趋，是创新科技进步的具体体现。
压电微动平台是由压电陶瓷执行器驱动的、能够产生微米或纳米级运动精度与运动分辨率的微位移机构，它可应用于超精密加工、大规模集成电路制造、扫描探针显微镜、生物工程等前沿技术领域中。
现有的压电微动平台主要以平动居多，很少有Z轴方向的微旋转平台，且设计的转动精密定位平台，结构复杂、具有水平方向的耦合、轴向承载能力较低等缺陷，难以满足实际应用的需求。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的Z轴微旋转平台，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单、在转动时可消除水平方向的耦合、刚度大且精度高的Z轴微旋转平台。
本发明的Z轴微旋转平台，包括台体和设置在所述台体内的动台体，所述动台体的四个直角与所述台体之间连接有柔性铰链，连接所述动台体两对角的柔性铰链的中心线与所述动台体相应的对角线在同一条直线上；所述台体内设置有两伸入所述动台体内部的压电陶瓷，两所述压电陶瓷分别从所述动台体两平行的侧壁伸入所述动台体内部，且两所述压电陶瓷相对所述动台体的中心呈对角关系；所述台体内还安装有与所述压电陶瓷端部相抵的预紧顶丝。
进一步的，所述柔性铰链包括连接段和设于所述连接段两端的变形段，两所述变形段分别为与所述台体连接的第一变形段、与所述动台体连接的第二变形段，所述第一变形段及第二变形段的相对两个面上均设有弧度相等的弧形凹槽，所述第二变形段上的两弧形凹槽延伸有连接臂，两所述连接臂分别连接所述动台体两相垂直的侧壁。
进一步的，所述台体内设有四个用于分别容置各所述柔性铰链的凹槽，四个所述凹槽的中心线分别与所述动台体四个直角的对角线在同一条直线上。
进一步的，所述动台体内设有两供所述压电陶瓷伸入的开口，两所述开口相对所述动台体的中心呈对角关系。
进一步的，所述台体上还设有若干安装孔。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明通过设置两相对动台体的中心呈对角关系的压电陶瓷，在压电陶瓷通电情况下，能够驱使动台体以其中心为轴心进行旋转，且由于两压电陶瓷对角设置，在工作时能相互消除两自由度(即水平方向)上的耦合位移，不会产生旋转误差，定位精度更高；
2、本发明的四个柔性铰链的中心线与动台体四个直角的对角线在同一条直线上，可以使动台体更平稳地绕其中心旋转，旋转精度更高；
3、本发明的柔性铰链具有两个变形段，从而具备两个应力集中点，在当柔性铰链受力时，其中一个应力集中点(对应在第一变形段上)会自适应另一个应力集中点(对应在第二变形段上)产生的应力，以减少第二变形段上产生的应力，从而使本发明具备更高的刚度。
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是本发明的结构示意图；
图2是本发明中柔性铰链与动台体的连接结构示意图；
图3是本发明中柔性铰链的结构示意图。
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和图2，本发明一较佳实施例所述的一种Z轴微旋转平台，包括台体10和设置在台体10内的动台体20，动台体20的四个直角与台体10之间连接有柔性铰链30，连接动台体20两对角的柔性铰链30的中心线与动台体20相应的对角线在同一条直线上；台体10内设置有两伸入动台体20内部的压电陶瓷40，两压电陶瓷40分别从动台体20两平行的侧壁伸入动台体20内部，且两压电陶瓷40相对动台体20的中心呈对角关系；台体10内还安装有与压电陶瓷40端部相抵的预紧顶丝50。
本发明将两压电陶瓷40相对动台体20的中心呈对角设置，并将两压电陶瓷40分别从动台体20两平行的侧边伸入动台体20内部，当两压电陶瓷40在驱动电压的作用下发生伸长变形时，动台体20中心两侧受到对等的推力，从而使动台体20绕其中心旋转，实现Z轴向的微旋转。同时，由于两压电陶瓷40对角设置，可在驱动动台体20旋转时，能够相互消除两自由度(即水平方向)上的耦合位移，不会产生旋转误差，定位精度更高。
由于在动台体20的四个直角与台体10之间连接了柔性铰链30，且四个柔性铰链30的中心线分别与动台体20四个直角的对角线在同一条直线上，当两压电陶瓷40产生驱动力时，柔性铰链30顺着动台体20的旋转趋势产生弹性变形，因四个柔性铰链30相对动台体20的中心对称，从而可使动台体20在以其中心为轴心转动时不会偏心，确保了旋转精度。当撤去驱动力后，动台体20在四个柔性铰链30的弹性恢复力作用下回到初始位置，且因四个柔性铰链30的对称结构，动台体20回位后不会产生偏离。
本发明通过预紧顶丝50，为压电陶瓷40提供足够的预紧力，可避免压电陶瓷40在安装过程中的间隙所造成的运动误差。预紧顶丝50可采用细牙螺纹，使预紧顶丝50的螺纹孔与压电陶瓷40保持绝对垂直，能够保证压电陶瓷40不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护了压电陶瓷40，减少了压电陶瓷40的损耗；采用细牙螺纹具有防松防振效果好、可以精确微调预紧力的优点，同时可避免压电陶瓷40在安装过程中的间隙所造成的运动误差和压电陶瓷的损坏。
作为本发明的优选实施方式，如图3所示，本发明中的柔性铰链30包括连接段31和设于连接段31两端的变形段，两变形段分别为与台体10连接的第一变形段32、与动台体20连接的第二变形段33，第一变形段32及第二变形段33的相对两个面上均设有弧度相等的弧形凹槽34，第二变形段33上的两弧形凹槽34延伸有连接臂35，两连接臂35分别连接动台体20两相垂直的侧壁。如此，即可使柔性铰链30连接台体与动台体20的直角。因柔性铰链30具备两变形段，从而具备两个应力集中点，在当柔性铰链30受力时，其中一个应力集中点(对应在第一变形段32上)会自适应另一个应力集中点(对应在第二变形段33上)产生的应力，以减少第二变形段上产生的应力，从而使本发明具备更高的刚度。
为使得四个柔性铰链30的中心线分别与动台体20四个直角的对角线在同一条直线上，本发明在台体10内设有四个用于分别容置各柔性铰链30的凹槽11，四个凹槽11的中心线分别与动台体20四个直角的对角线在同一条直线上。
为方便将两压电陶瓷40对角设置，本发明在动台体20内设有两供压电陶瓷40伸入的开口21，两开口21相对动台体20的中心呈对角关系。
为方便将本发明应用在微机电系统、光学调整、超精密加工、STM(ScanningTunneling Microscope，扫描隧道显微镜)和AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域，本发明在台体10上还设有若干安装孔12。
与现有技术相比，本发明能够解决以下问题：
1、能够实现纯转动，而不会产生两自由度上的运动误差，现有的纯转动平台是通过一个压电陶瓷驱动，在转动的同时还差生两自由度上的位移，定位精度不高，本发明解决了高精密定位的技术问题；
2、现有的纯转动平台在转动时，柔性铰链仅有一个应力集中点，在受力时，一个集中点上的应力较大，从而不能确保刚性，而本发明的柔性铰链具备两个应力集中点，一个集中点会自适应另一个集中点产生的应力，分担另一个集中点上的应力，从而使本发明具备更高的刚性。
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 (1)
1.一种Z轴微旋转平台，其特征在于：包括台体和设置在所述台体内的动台体，所述动台体的四个直角与所述台体之间连接有柔性铰链，连接所述动台体两对角的柔性铰链的中心线与所述动台体相应的对角线在同一条直线上；所述台体内设置有两伸入所述动台体内部的压电陶瓷，两所述压电陶瓷分别从所述动台体两平行的侧壁伸入所述动台体内部，且两所述压电陶瓷相对所述动台体的中心呈对角关系；所述台体内还安装有与所述压电陶瓷端部相抵的预紧顶丝；
所述柔性铰链包括连接段和设于所述连接段两端的变形段，两所述变形段分别为与所述台体连接的第一变形段、与所述动台体连接的第二变形段，所述第一变形段及第二变形段的相对两个面上均设有弧度相等的弧形凹槽，所述第二变形段上的两弧形凹槽延伸有连接臂，两所述连接臂分别连接所述动台体两相垂直的侧壁；
所述台体内设有四个用于分别容置各所述柔性铰链的凹槽，四个所述凹槽的中心线分别与所述动台体四个直角的对角线在同一条直线上。
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