CN108198588B - 一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，包括平台主体，所述平台主体上有四条柔性铰链，并通过四条铰链将平台主体分为A区、B区、C区、D区四部分，所述A区为移动区，所述B区和C区为受力变形区，所述D区为固定区；所平台主体两端设有左盲孔和右盲孔，所述左盲孔的底部为光滑圆圆锥面，其内部安装有弹簧预紧组件，所述右盲孔的底部也为光滑圆圆锥面，其内部安装有压电陶瓷组件，所述弹簧预紧组件和压电陶瓷组件构成放大机构。本发明实现了小的竖向平台尺寸情况下比较大的竖向位移，可以满足空间较小但是要求竖向行程较大场合的需求。

Description

一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台

技术领域

本发明一种可以实现竖直方向大位移行程的纳米位移定位平台，并且保证竖直方向尺寸较小，从而满足实际中竖直方向空间较小的使用场合。

背景技术

纳米定位平台用于产生纳米量级的位移和实现纳米级别的定位控制,主要应用于原子力显微镜、精密光学设备、半导体设备等高新技术行业。先进的半导体芯片制造技术和大规模存储器制造技术的发展更是将纳米位移和纳米定位技术推上了新的高度。精密测量和检测技术被认为是下一代半导体芯片制造技术和大规模存储器制造技术必须突破的技术瓶颈。基于纳米位移和纳米定位的计量和检测，有望成为突破光学检测系统和电子束检测系统局限性的新检测手段。此外，精密加工机床的精度和稳定性也取决于纳米位移和纳米定位的技术水平，因此，纳米位移和纳米定位已经成为各种超精密测量、加工和检测设备中的关键技术和核心部件。

现有纳米位移定位平台有单自由度、两自由度、三自由度三种类型，单自由度纳米位移定位平台有水平方向(X向或者Y向)和竖直方向(Z向)两种，目前的Z向纳米位移定位平台采用压电陶瓷竖直放置的结构，Z向尺寸相对较大，不能满足一些Z向空间不足的使用场合，针对以上不足现提出一种全新的结构以解决上述问题，现有技术具有以下缺点：

1.运动平台导向机构和运动放大机构分离设计，整体结构尺寸太大。

2.压电陶瓷直接驱动，无放大机构，行程短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台和方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，包括平台主体，所述平台主体上有四条柔性铰链，并通过四条铰链将平台主体分为A区、B区、C区、D区四部分，所述A区为移动区，所述B区和C区为受力变形区，所述D区为固定区；

所平台主体两端设有左盲孔和右盲孔，所述左盲孔的底部为光滑圆锥面，其内部安装有弹簧预紧组件，所述右盲孔的底部也为光滑圆锥面，其内部安装有压电陶瓷组件，所述弹簧预紧组件和压电陶瓷组件构成放大机构。

优选的，所述弹簧预紧组件包括锁紧螺母A、预紧螺母A、半球螺母和弹簧，所述锁紧螺母A、预紧螺母A和半球螺母从左往右依次连接，所述弹簧设在半球螺母和预紧螺母A上，所述弹簧安装完毕后为压缩状态。

优选的，所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷、预紧螺母B和锁紧螺母B，所述压电陶瓷、预紧螺母B和锁紧螺母B从左往右依次连接安装在右盲孔中；所述压电陶瓷两端分别设有钨钢半球A和钨钢半球B。

优选的，所述预紧螺母B与压电陶瓷接近的一端侧壁也设为圆锥面，所述钨钢半球B与预紧螺母B接触。

优选的，所述右盲孔水平贯穿D区，其孔底截止在B区和C区的右端内，所述右盲孔的孔底内壁设为圆锥面，所述钨钢半球A的表面与该圆锥面接触。

优选的，所述左盲孔水平贯穿A区，其孔底截止在B区左端内，所述左盲孔的孔底内壁也设为圆锥面，所述半球螺母的表面与该圆锥面接触。

优选的，所述左盲孔和右盲孔均截止在B区，并不连通，所述B区的主剖截面构成“X”形。

优选的，所述左盲孔和右盲孔设在同一水平轴线上。

优选的，所述锁紧螺母B和预紧螺母B通过螺纹和平台主体相连。

优选的，所述锁紧螺母A和预紧螺母A分别通过螺纹和平台主体相连。

本发明锁紧螺母A、预紧螺母A、弹簧、半球螺母依次连接，并且半球螺母的半球面和平台主体内的左盲孔底部内锥面密切接触。

压电陶瓷两端粘有钨钢半球A和B，并且和预紧螺母B和锁紧螺母B依次连接，压电陶瓷其中一端的钨钢半球B和预紧螺母B的内锥面密切接触，另一端的钨钢半球A和平台主体内的右盲孔底部内锥面密切接触。

平台主体内部有A、B、C、D四个柔性铰链,四个柔性铰链把平台主体分为A、B、C、D四部分。平台两端分别有一个盲孔，盲孔底部为圆锥面，两孔的中心线沿水平方向并且重合，半球螺母和压电陶瓷其中一端的钨钢半球接触部分均位于B区内。

由于柔性铰链A、柔性铰链B、柔性铰链C、柔性铰链D的铰链设计为矩形截面结构，长边和施加作用力方向一致，起到限制B区沿作用力移动的作用，在作用力下柔性铰链B会作为旋转轴实现一定的偏转，B区通过柔性铰链A带动A区部分移动，A区带动柔性铰链C移动，柔性铰链C带动柔性铰链D转动，A区、B区、C区、D区部件在柔性铰链A、柔性铰链B、柔性铰链C、柔性铰链D的连接下形成平行四连杆结构，所以可以把压电陶瓷的水平移动转化为A区平台的竖向垂直移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的特点为四个铰链既实现导向功能又承担旋转轴的功能，整体结构实现位移放大和方向转化的功能，实现了驱动放大机构和运动导向机构的集成设计，实现了小的竖向平台尺寸情况下比较大的竖向位移，可以满足空间较小但是要求竖向行程较大场合的需求，整体结构简单、可靠，体积小，应用场景广。

本发明将B区部分形成一种放大机构，可以把压电陶瓷的行程进行放大，柔性铰链B为旋转轴，钨钢半球A沿X方向的位移为初始位移，柔性铰链A 5-1的Z向位移为最终位移，Z向位移对于X方向的位移比值即为放大比。所以该平台可以实现Z向的大行程位移。由于两个盲孔中心线水平布置，所以压电陶瓷和弹簧预紧组件水平布置，这样就可以降低Z向的平台尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台的主视结构示意图。

图2为本发明实施例的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台的俯视结构示意图。

图3为本发明实施例的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台的平台主体剖面结构示意图。

附图标记：

1-锁紧螺母A，2-预紧螺母A，3-弹簧，4-半球螺母，5-平台主体，5-1-柔性铰链A，5-2-柔性铰链B，5-3-柔性铰链C，5-4-柔性铰链D，6-钨钢半球A，7-压电陶瓷，8-钨钢半球B，9-预紧螺母B，10-锁紧螺母B，11-左盲孔，12-右盲孔。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，包括平台主体5，所述平台主体5上有四条柔性铰链，并通过四条铰链将平台主体5分为A区、B区、C区、D区四部分，所述A区为移动区，所述B区和C区为受力变形区，所述D区为固定区；

所平台主体5两端设有左盲孔11和右盲孔12，所述左盲孔11的底部为光滑圆锥面，其内部安装有弹簧预紧组件，所述右盲孔12的底部也为光滑圆锥面，其内部安装有压电陶瓷组件，所述弹簧预紧组件和压电陶瓷组件构成放大机构。

优选的，所述弹簧预紧组件包括锁紧螺母A 1、预紧螺母A 2、半球螺母4和弹簧3，所述锁紧螺母A 1、预紧螺母A 2和半球螺母4从左往右依次连接，所述弹簧3套在半球螺母4和预紧螺母A 2上，所述弹簧3安装完毕后为压缩状态。

优选的，所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷7、预紧螺母B 9和锁紧螺母B 10，所述压电陶瓷7、预紧螺母B 9和锁紧螺母B 10从左往右依次连接安装在右盲孔12中；所述压电陶瓷7两端分别设有钨钢半球A 6和钨钢半球B8。

优选的，所述预紧螺母B 9与压电陶瓷7接近的一端侧壁也设为圆锥面，所述钨钢半球B 8与预紧螺母B 9接触。

优选的，所述右盲孔12水平贯穿D区，其孔底截止在B区和C区的右端内，所述右盲孔12的孔底内壁设为圆锥面，所述钨钢半球A 6的表面与该圆锥面接触。

优选的，所述左盲孔11水平贯穿A区，其孔底截止在B区左端内，所述左盲孔11的孔底内壁也设为圆锥面，所述半球螺母4的表面与该圆锥面接触。

优选的，所述左盲孔11和右盲孔12均截止在B区，并不连通，所述B区的主剖截面构成“X”形。

优选的，所述左盲孔11和右盲孔12设在同一水平轴线上。

优选的，所述锁紧螺母B 10和预紧螺母B 9通过螺纹和平台主体5相连。

优选的，所述锁紧螺母A 1和预紧螺母A 2分别通过螺纹和平台主体5相连。

工作原理：

如图1所示：平台主体5上具有三个主要特征，其一为左盲孔11，底部为光滑圆锥面，用途为安装弹簧3预紧组件。其二为右盲孔12，底部为光滑圆锥面，用途为安装压电陶瓷组件。平台主体55上有四条柔性铰链A 5-1、柔性铰链B 5-2、柔性铰链C 5-3、柔性铰链D 5-4，通过四条铰链把平台主体55分为四部分A、B、C、D。A区为移动区、B区和C区为受力变形区，D区为固定区。

工作时，压电陶瓷7在电压作用下沿X方向(见图3)伸长，钨钢半球A 6对平台主体5内部B区部分施加作用力，B区部分在力的作用下绕柔性铰链B 5-2发生微弱转动，从而通过柔性铰链A 5-1带动A区部分实现Z向移动，柔性铰链C 5-3和柔性铰链D 5-4在A区部分带动下发生变形，同时对A区部分移动进行导向。

B区部分形成一种放大机构，可以把压电陶瓷7的行程进行放大，柔性铰链B 5-2为旋转轴，钨钢半球A 6沿X方向的位移为初始位移，柔性铰链A 5-1的Z向位移为最终位移，Z向位移对于X方向的位移比值即为放大比。所以该平台可以实现Z向的大行程位移。

如图4所示平台主体5有左右两个盲孔，两个盲孔中心线重合，其中左盲孔11位于平台主体5的A区，右盲孔12位于D区，并且弹簧3和压电陶瓷7均为水平布置，压电陶瓷7上钨钢半球A 6和平台主体5接触部分位于B区，压电陶瓷7另一端的钨钢半球B 8固定在位于D区的预紧螺母B 9上，半球螺母4和平台主体5接触部分也位于B区，弹簧3另一端固定在位于A区的预紧螺母A 2上。

右盲孔12的作用为放置压电陶瓷组件，压电陶瓷组件可以驱动移动平台A平稳上升，左盲孔11的作用为放置弹簧3预紧组件，弹簧3预紧组件在压电陶瓷7缩短时驱动平台A平稳下降，在运动平台A区内和固定区域D区设计盲孔放置弹簧3预紧组件和压电陶瓷组件，节省了空间，使结构更加紧凑，进一步缩小装置体积，增加了本结构应用的灵活性。

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。

Claims (8)

1.一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，包括平台主体(5)，其特征在于：所述平台主体(5)上有四条柔性铰链，并通过四条铰链将平台主体(5)分为A区、B区、C区、D区四部分，所述A区为移动区，所述B区和C区为受力变形区，所述D区为固定区；

所平台主体(5)两端设有左盲孔(11)和右盲孔(12)，所述左盲孔(11)的底部为光滑圆锥面，其内部安装有弹簧预紧组件，所述右盲孔(12)的底部也为光滑圆锥面，其内部安装有压电陶瓷组件，所述弹簧预紧组件和压电陶瓷组件构成放大机构；所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷(7)、预紧螺母B(9)和锁紧螺母B(10)，所述压电陶瓷(7)、预紧螺母B(9)和锁紧螺母B(10)从左往右依次连接安装在右盲孔(12)中；所述压电陶瓷(7)两端分别设有钨钢半球A(6)和钨钢半球B(8)；所述预紧螺母B(9)与压电陶瓷(7)接近的一端侧壁也设为圆锥面，所述钨钢半球B(8)与预紧螺母B(9)接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：所述左盲孔和右盲孔均截止在B区，并不连通，所述B区的主剖截面构成“X”形。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：所述右盲孔(12)水平贯穿D区，其孔底截止在B区和C区的右端内，所述右盲孔(12)的孔底内壁设为圆锥面，所述钨钢半球A(6)的表面与该圆锥面接触；所述左盲孔(11)水平贯穿A区，其孔底截止在B区左端内，所述左盲孔(11)的孔底内壁也设为圆锥面，所述半球螺母(4)的表面与该圆锥面接触。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：所述弹簧预紧组件包括锁紧螺母A(1)、预紧螺母A(2)、半球螺母(4)和弹簧(3)，所述锁紧螺母A(1)、预紧螺母A(2)和半球螺母(4)从左往右依次连接，所述弹簧(3)设在半球螺母(4)和预紧螺母A(2)上，所述弹簧(3)安装完毕后为压缩状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：半球螺母(4)和钨钢半球A(6)接触部分均位于B区内。

6.根据权利要求2所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：所述左盲孔(11)和右盲孔(12)设在同一水平轴线上,且重合。

7.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：所述锁紧螺母B(10)和预紧螺母B(9)通过螺纹和平台主体(5)相连，

8.根据权利要求1所述的一种基于柔性铰链的单自由度大行程纳米位移定位平台，其特征在于：所述锁紧螺母A(1)和预紧螺母A(2)分别通过螺纹和平台主体(5)相连。

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