CN107324275B - 一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，包括基体，基体包括中间反光镜，在中间反光镜的外侧设有两个环扇形的第一压电梁基体，在第一压电梁基体的外圈设有两个环扇形的第二压电梁基体；在第一压电梁基体的上表面和第二压电梁基体的上表面各黏贴有第一、第二压电陶瓷片；在两个第二压电陶瓷驱动器加载相反电压时，两个第二压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的固定环绕y轴转动；在两个第一压电陶瓷驱动器加载相反电压时，两个第一压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的中间反光镜绕x轴转动；当加载在第二压电陶瓷驱动器或第一压电陶瓷驱动器电压方向相同时，固定环或中间反光镜产生垂直x、y所在平面的垂直位移。

Description

一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构

技术领域

本发明涉及一种微伺服平台结构，尤其涉及一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构。

背景技术

随着技术的迅速发展和进步，各领域对超精密定位技术提出了更多的挑战和要求，必须克服传统机械存在的冲击、摩擦、多环节传动损失等问题，实现整体化的结构设计和制造，达到轻量化、小型化、高集成的目的。因此，建立一种结构紧凑的压电驱动器驱动的微定位平台具有非常大的理论意义和现实意义。

MEMS微镜是作为一种微型光学调制器件，按驱动方式分类主要分为静电式、磁力式、电热式和压电式四种，基本原理是通过静电(或磁力或电热或压电)的作用，使微镜面发生转动或平动，从而改变输入光的传播方向或相位的一种精密器件。因其具有尺寸微小、结构简单、响应速度快、镜面定向精度高、单片集成化程度高等优点，广泛用于光通讯、光存储和光投影成像、光谱分析、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。

传统压电微定位平台多采用多条压电梁等方式驱动，该种方式不仅难以保证各压电梁制造的一致性，同时对压电微定位平台的控制提出了较高的要求，限制了设备的定位精度，并且在压电微定位平台旋转时，中间反光镜旋转轴并不一定穿过反光镜中心，为定位平台的使用带来了较大影响。

压电陶瓷梁作为微定位平台的驱动器，在整体的结构设计、理论分析模型、完整系统的搭建方面与传统精密定位技术具有本质性的区别。而压电梁驱动的微定位平台可以满足特定场合紧凑结构设计的目标，并且可以输出纳米级精度和分辨率的三维运动。压电梁驱动的微定位平台的这些优点使其成为超精密定位研究的重要组成部分，而且极大的推动了纳米级光学精密检测技术和生物医疗技术的跨越发展。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑、转动精度高的串联压电三维微伺服平台的结构。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，包括一个基体，所述的基体包括一个位于其中心位置的中间反光镜，在所述的中间反光镜的外侧设有两个对称设置的环扇形的第一压电梁基体，在所述的第一压电梁基体的外圈设有两个对称设置的环扇形的第二压电梁基体；在所述的第一压电梁基体和第二压电梁基体之间有固定环；在所述的第一压电梁基体的上表面和第二压电梁基体的上表面各黏贴有第一、第二压电陶瓷片；形成了两个第一压电陶瓷驱动器和两个第二压电陶瓷驱动器；两个第一压电陶瓷驱动器的中心对称线和两个第二压电陶瓷驱动器的中心对称线相互垂直；

在两个第二压电陶瓷驱动器加载相反电压时，对称的两个第二压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的固定环绕y轴转动；y轴穿过固定环中心；

在两个第一压电陶瓷驱动器加载相反电压时，对称的两个第一压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的中间反光镜绕x轴转动，x轴穿过反光镜中心；

当加载在第二压电陶瓷驱动器或第一压电陶瓷驱动器电压方向相同时，固定环或中间反光镜产生垂直x、y所在平面的垂直位移。

进一步的，所述中间反光镜、第一压电梁基体、第二压电梁基体和固定环，是由同一片不锈钢片基体线切割制作而成的一体件。

进一步的，所述基体通过螺栓固定于底座上，且在其最外圈未设置压电陶瓷片的位置设有固定压块，所述的基体、固定压块以及底座通过螺栓连接。

所述的固定压块位于两个第二压电陶瓷器之间。

进一步的，所述中间反光镜位于基体中间部分，通过抛光处理后可反射光束。

进一步的，所述中间反光镜存在绕x、y轴的转动和在垂直方向上的平动。所述的两个第一压电陶瓷驱动器的中心对称线和两个第二压电陶瓷驱动器的中心对称线均与中间反光镜的两条中心线重合。

进一步的，所述基体、底座和固定压块均为304不锈钢材料，金属材料的一种。

进一步的，所述第一、第二压电陶瓷片为PZT材料，并通过环氧树脂或金属焊接材料粘接在第一、第二压电梁基体上表面。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.使用压电陶瓷片作为三维微定位平台的驱动材料，不仅成本更低、制造可靠性高，而且性能更加稳定；

2.使用一块不锈钢片一体加工出压电梁基体和中间反光镜部分，不仅降低装配难度，而且提高各组成部分相对位置精度；

3.采用环扇形压电陶瓷驱动器驱动微定位平台，利用了同一级环扇形压电驱动器弯曲方向相反时，中间反光镜旋转轴必定穿过反光镜中心位置的特点；

4.采用环扇形压电陶瓷驱动器，使平台更加紧凑，提高了微定位平台的反光镜面积相对整体占比。

以上所述仅是对本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明并可依照说明书的内容予以实施，附图详细说明如下。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明提供的串联环扇形压电三维微伺服平台结构的轴测图；

图2为本发明提供的串联环扇形压电三维微伺服平台结构的原理图；

图3为本发明提供的并联压电三维微伺服平台压电陶瓷驱动器的结构图；

图4为本发明基体的结构图；

图中，1底座，2第二压电梁基体，3固定压块，4螺栓，5中间反光镜，6第一压电陶瓷片，7第二压电陶瓷片，8第一压电梁基体，9固定环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，并在兼顾考虑平台结构优化、制造工艺等因素的基础上，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。当然参考附图描述的实施例只是示例性的，目的在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的过多限制。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于讲述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固定”、“相连”、“粘接”、“贴”等应做广义理解，表示可以是固定连接。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明串联环扇形压电三维微伺服平台结构的轴测图。包括一个基体，所述的基体包括一个位于其中心位置的中间反光镜5，在所述的中间反光镜5的外侧设有两个对称设置的环扇形的第一压电梁基体8，在所述的第一压电梁基体8的外圈设有两个对称设置的环扇形的第二压电梁基体2；在所述的第一压电梁基体8和第二压电梁基体2之间有固定环9；在所述的第一压电梁基体8的上表面和第二压电梁基体2的上表面各黏贴有第一、第二压电陶瓷片7、7；形成了两个第一压电陶瓷驱动器和两个第二压电陶瓷驱动器；

两个第一压电梁基体8不相连，与中间反光镜5之间有间隙；两个第二压电梁基体2不相连，与固定环9之间有间隙；

在两个第二压电陶瓷驱动器加载相反电压时，对称的两个第二压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的固定环绕y轴转动；y轴穿过固定环中心；

在两个第一压电陶瓷驱动器加载相反电压时，对称的两个第一压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的中间反光镜绕x轴转动，x轴穿过反光镜中心；

当加载在第二压电陶瓷驱动器或第一压电陶瓷驱动器电压方向相同时，固定环或中间反光镜产生垂直x、y所在平面的垂直位移。

本发明中的基体结构类似于圆盘状的钢片结构，如图4所示，其包括中间反光镜5、第一压电梁基体8、第二压电梁基体2和固定环9，是由同一片不锈钢片基体线切割制作而成的一体件，具体形状如图4所示。

上述中间反光镜5位于基体中间部分，通过抛光处理后可反射光束。

上述中间反光镜5存在绕x、y轴的转动和在垂直方向上的平动。

本发明中基体通过螺栓固定于底座上，且在其最外圈未设置压电陶瓷片的位置设有固定压块，所述的基体、固定压块以及底座通过螺栓连接。

基体、底座和固定压块均为304不锈钢材料，金属材料的一种。

第一、第二压电陶瓷片7、7为PZT材料，并通过环氧树脂或金属焊接材料粘接在第一、第二压电梁基体2、8上表面。

本发明采用固定压块3将基体固定于底座1上，螺栓4起到固连作用。位于外侧对称布局的第一压电陶瓷驱动器由第一压电梁基体2和第一压电陶瓷片6组成，当加载相反电压时，对称的两个第一压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的固定环9绕y轴转动，旋转轴穿过固定环9中心；位于内侧对称布局的第二压电陶瓷驱动器由第二压电梁基体2和第二压电陶瓷片7组成，当加载相反电压时，对称的两第二压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的中间反光镜5绕x轴转动，旋转轴穿过反光镜5中心；当加载在电压方向相同时，固定环9或中间反光镜5产生垂直x、y所在平面的垂直位移。所述第一电陶瓷片6、第二压电陶瓷片7通过环氧树脂或金属焊接材料粘接在第一压电梁基体2、第二压电梁基体2上表面。

如图2所示，图2为本发明并联压电三维微伺服平台的原理图。本发明采用环扇形压电陶瓷驱动器驱动中间反光镜5。位于内侧对称布局的第二压电陶瓷驱动器由第二压电梁基体2和第二压电陶瓷片7组成，当加载相反电压时，对称的两个第二压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的中间反光镜5绕x轴转动，旋转轴穿过反光镜5中心。

如图3所示，为本发明提供的并联压电三维微伺服平台压电陶瓷驱动器的结构图。本发明采用环氧树脂或金属焊接材料等方法将压电陶瓷片2粘接在压电梁基体7上表面

本发明致力于克服传统微定位平台中压电驱动器数量多、相对体积比小、各驱动器制造一致性差、控制困难大和旋转轴与反光镜中心误差等问题，提出一种结构紧凑、环扇形压电陶瓷驱动器的和相对控制较简单的串联压电三维微伺服平台，并且可以输出纳米级精度和分辨率的三维运动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，包括一个基体，所述的基体包括一个位于其中心位置的中间反光镜，在所述的中间反光镜的外侧设有两个对称设置的环扇形的第一压电梁基体，在所述的第一压电梁基体的外圈设有两个对称设置的环扇形的第二压电梁基体；在所述的第一压电梁基体和第二压电梁基体之间有固定环；在所述的第一压电梁基体的上表面和第二压电梁基体的上表面各黏贴有第一、第二压电陶瓷片；形成了两个第一压电陶瓷驱动器和两个第二压电陶瓷驱动器；两个第一压电陶瓷驱动器的中心对称线和两个第二压电陶瓷驱动器的中心对称线相互垂直；

在两个第二压电陶瓷驱动器加载相反电压时，对称的两个第二压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的固定环绕y轴转动；y轴穿过固定环中心；

在两个第一压电陶瓷驱动器加载相反电压时，对称的两个第一压电陶器驱动器弯曲方向相反，进而带动中间的中间反光镜绕x轴转动，x轴穿过反光镜中心；

当加载在第二压电陶瓷驱动器或第一压电陶瓷驱动器电压方向相同时，固定环或中间反光镜产生垂直x、y所在平面的垂直位移。

2.如权利要求1所述的串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，所述中间反光镜、第一压电梁基体、第二压电梁基体和固定环，是由同一片不锈钢片基体线切割制作而成的一体件。

3.如权利要求1所述的串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，所述基体通过螺栓固定于底座上，且在其最外圈未设置压电陶瓷片的位置设有固定压块，所述的基体、固定压块以及底座通过螺栓连接。

4.如权利要求1所述的串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，所述中间反光镜位于基体中间部分，通过抛光处理后可反射光束。

5.如权利要求1所述的串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，所述的两个第一压电陶瓷驱动器的中心对称线和两个第二压电陶瓷驱动器的中心对称线均与中间反光镜的两条中心线重合。

6.如权利要求1所述的串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，所述基体、底座和固定压块均为304不锈钢材料，金属材料的一种。

7.如权利要求1所述的串联环扇形压电三维微伺服平台的结构，其特征在于，所述第一、第二压电陶瓷片为PZT材料，并通过环氧树脂或金属焊接材料粘接在第一、第二压电梁基体上表面。