CN108240437A - 一种纳米级微动机构和测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米级微动机构和测量仪器，属于传动结构领域，包括螺杆和柔性金属框架，柔性金属框架包括第一端块、第二端块和两个柔性片，柔性片的两端分别与第一端块和第二端块连接，两个柔性片间隔设置，且两个柔性片分别与螺杆螺接，转动螺杆令两个柔性片相互远离或者靠近。本发明提供的纳米级微动机构利用螺杆的转动，令两个柔性片相互靠近或者远离，两个柔性片在相互靠近或者远离时，发生形变，带动第一端块和第二端块移动，让第一端块和第二端块相互靠近或者远离，本发明提供的纳米级微动机构结构极其简单，在受到震动时，螺杆的转动也能稳定的带动第一端块和第二端块靠近或者远离，是一种高精度、高可靠性且高稳定性的微动机构。

Description

一种纳米级微动机构和测量仪器

技术领域

本发明涉及传动结构领域，具体而言，涉及一种纳米级微动机构和测量仪器。

背景技术

现有技术基本都是在测量方向上轴向安装微减速电机带动螺杆通过导轨带动活动测片产生水平位移，最小可调位移量不够小，机械导轨存在的“爬行”和机械运动间隙由于物理原理而难于消除，容易产生颤动、结构复杂，受制于微动结构质量较大，观测时频率响应无法提高且易受本底震动干扰。较多的零部件之间的装配应力又会对需要测量的应变量产生干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米级微动机构，以改善现有传动装置结构复杂、频 率响应无法提高且易受到震动干扰的问题。

本发明的目的在于提供一种测量仪器，以改善现有传动装置结构复杂、频率响应 无法提高且易受到震动干扰的问题。

本发明是这样实现的：

基于上述的第一目的，本发明提供了一种纳米级微动机构，包括螺杆和柔性金属框架，所述柔性金属框架包括第一端块、第二端块和两个柔性片，所述柔性片的两端分别与所述第一端块和所述第二端块连接，两个所述柔性片间隔设置，且两个所述柔性片分别与所述螺杆螺接，转动所述螺杆令两个所述柔性片相互远离或者靠近。

本发明提供的纳米级微动机构利用螺杆的转动，令两个柔性片相互靠近或者远离，两个柔性片在相互靠近或者远离时，发生形变，带动第一端块和第二端块移动，让第一端块和第二端块相互靠近或者远离，本发明提供的纳米级微动机构结构极其简单，大大减小了结构整体的质量，在受到震动时，螺杆的转动也能稳定的带动第一端块和第二端块靠近或者远离，是一种高精度、高可靠性且高稳定性的微动机构。

在本实施例的一种实施方式中：所述螺杆包括第一杆和第二杆，所述第一杆和所述第二杆同轴设置，所述第一杆和所述第二杆上分别设置有螺纹，所述第一杆上的螺纹旋向与所述第二杆上的螺纹旋向相同，且所述第一杆上的螺纹的螺距与所述第二杆上的螺纹的螺距不同，所述第一杆和所述第二杆分别与两个所述柔性片螺接。

转动螺杆，由于第一杆和第二杆的螺纹的螺距不同，因此在螺杆转动单位角度时，由于差动原理，两个柔性片相对于螺杆移动的距离会不同，比如在顺时针转动螺杆时，位于第一杆上的柔性片和位于第二杆上的柔性片会同时朝向齿轮盘的方向移动，但由于第一杆螺距大于第二杆螺距，第一杆柔性片运动速度微微大于第二杆柔性片的运动速度，这时两个柔性片就会相互远离；同样的，如果逆时针转动螺杆时，位于第一杆上的柔性片和位于第二杆上的柔性片会同时朝向第二杆的方向移动，但由于第一杆螺距大于第二杆螺距，第一杆柔性片运动速度微微大于第二杆柔性片的运动速度，这时两个柔性片就会相互靠近。

在本实施例的一种实施方式中：所述第一杆的直径大于所述第二杆的直径。

这样可以避免位于第二杆上的柔性片移动到第一杆上或者是位于第一杆上的柔性片移动到第二杆上，从而避免对螺杆和柔性片上的螺纹孔造成不可逆的伤害。

在本实施例的一种实施方式中：所述柔性片包括第一片和第二片，所述第一片与所述第一端块连接，所述第二片与所述第二端块连接，所述第一片远离所述第一端块的一端与所述第二片连接，所述第一片与所述第二片的连接处设置有螺纹孔，所述螺杆螺接于所述螺纹孔，所述第一片和所述第二片倾斜设置，两个所述第一片的距离沿所述第一端块朝向所述第二端块的方向逐渐变大，两个所述第二片的距离沿所述第二端块朝向所述第二端块的方向逐渐变大。

在本实施例的一种实施方式中：所述第一片的宽度沿所述第一端块朝向所述第二端块的方向逐渐减小，所述第二片的宽度沿所述第二端块朝向所述第一端块的方向逐渐减小。

这样柔性片在发生形变相互靠近时，更加的容易方便，且受到的损伤会降至最小。

在本实施例的一种实施方式中：所述第一片与所述第一端块的连接处设置有倒角，所述第二片与所述第二端块的连接处设置有倒角。

这样可以让柔性片在发生形变时更加的容易，且能让柔性片与第一端块和第二端块的连接处受到的伤害减小。

在本实施例的一种实施方式中：所述第一片与所述第二片的连接处设置有刚性螺块，所述刚性螺块呈柱形，所述第一片和所述第二片沿所述刚性螺块的轴心线对称设置，所述螺纹孔设置于所述刚性螺块，所述螺纹孔与所述刚性螺块同轴设置。

刚性螺块的设置可以延长螺纹孔的长度，从而让柔性片与螺杆的连接更加的稳定牢固，消除柔性片受螺杆转动时的应力影响，这样纳米级微动机构受到震动的影响也就越小，同时也能让螺杆与柔性片之间的传动更加的精确可靠。

在本实施例的一种实施方式中：所述柔性金属框架采用一体成型技术制成。

采用一体成型制成的柔性金属框架结构强度高，且精度更易控制，结构整体质量比现有的在测量方向上轴向安装微减速电机及导轨结构的质量小很多，使得整个观测结构的响应频带大大提高。

基于上述的第二目的，本发明还提供了一种测量仪器，包括底座、驱动电机、固定测杆、固定测片、活动测片和如上所述的纳米级微动机构，所述固定测杆和所述纳米级微动机构分别安装于所述底座，所述第二端块与所述底座固定连接，所述第一端块朝向所述固定测杆设置，所述固定测杆的一端安装于所述底座，所述固定测杆的另一端朝向所述第一端块设置，所述固定测杆与所述第一端块之间形成测微间隙；所述固定测片和所述活动测片均位于所述测微间隙内，所述固定测片安装于所述固定测杆，所述活动测片安装于所述第一端块，所述固定测片与所述活动测片间隔设置，所述驱动电机驱动连接所述螺杆。

本发明提供的测量仪器包括上述的柔性金属框架，采用简单的结构完成测量，其测量精度高且可靠，同时，在测量时几乎不受到震动的影响。

在本实施例的一种实施方式中：所述螺杆还包括齿轮盘，所述齿轮盘与所述螺杆同轴设置，且所述齿轮盘与所述螺杆固定连接，所述齿轮盘与所述驱动电机的输出端虚位啮合。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：

本发明提供的纳米级微动机构利用螺杆的转动，令两个柔性片相互靠近或者远离，两个柔性片在相互靠近或者远离时，发生微小形变，带动第一端块和第二端块产生更微小的次级移动，让第一端块和第二端块相互靠近或者远离，本发明提供的纳米级微动机构结构极其简单，大大减小了结构整体的质量，消除了一般同类仪器会产生的间隙松动、轨道爬行等缺陷，在受到震动时，螺杆的转动也能稳定的带动第一端块和第二端块靠近或者远离，是一种高精度、高可靠性且高稳定性的微动机构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要实用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施方式，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示出了本发明实施例1提供的纳米级微动机构的示意图；

图2示出了本发明实施例1提供的柔性金属框架在第一视角的示意图；

图3示出了本发明实施例1提供的柔性金属框架在第二视角的示意图；

图4示出了本发明实施例1提供的柔性片的示意图；

图5示出了本发明实施例1提供的螺杆的示意图；

图6示出了本发明实施例2提供的测量仪器的示意图；

图7示出了本发明实施例2提供的测微间隙的示意图；

图8示出了本发明实施例2提供的螺杆的示意图；

图9示出了本发明实施例2提供的驱动电机与螺杆的连接示意图。

图中：101-柔性金属框架；102-螺杆；103-第一端块；104-第二端块；105-柔性片；106-第一片；107-第二片；108-刚性螺块；109-螺纹孔；110-第一杆；111-第二杆；112-底座；113-固定测杆；114-驱动电机；115-纳米级微动机构；116-固定测片；117-活动测片；118-测微间隙；119-齿轮盘。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面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了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

参照图1至图5，本实施例提供了一种纳米级微动机构115，包括螺杆102和柔性金属框架101，柔性金属框架101包括第一端块103、第二端块104和两个柔性片105，柔性片105的两端分别与第一端块103和第二端块104连接，两个柔性片105间隔设置，且两个柔性片105分别与螺杆102螺接，转动螺杆102令两个柔性片105相互远离或者靠近。

现有技术基本都是在水平向上采用微减速电机带动螺杆102通过导轨产生水平位移，最小可调位移量不够小，机械导轨存在的“爬行”和机械运动间隙由于物理原理而难于消除，容易产生颤动、结构复杂，受制于微动结构质量较大，频率响应无法提高且易受本底震动干扰。较多的零部件之间的装配应力又会对需要测量的应变量产生干扰。其中，“爬行”是指在滑动摩擦副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期性时停时走或时慢时快的运动现象。爬行是机械振动中自激振动的一种形式，就是只要有导轨类和其他机械结构存在(如铰链等)就会有极微小的抖动松动。

本实施例提供的纳米级微动机构115结构及其简单，但解决了所有以上现有机构存在的不足，本实施例提供的纳米级微动机构115利用螺杆102的转动，令两个柔性片105相互靠近或者远离，两个柔性片105在相互靠近或者远离时，发生形变，带动第一端块103和第二端块104移动，让第一端块103和第二端块104相互靠近或者远离，本实施例提供的纳米级微动机构115结构极其简单，大大减小了结构整体的质量，在受到震动时，螺杆102的转动也能稳定的带动第一端块103和第二端块104靠近或者远离，是一种高精度、高可靠性且高稳定性的微动机构，在长期精密观测中，由于最简化的结构设计，消除了其他设计复杂的同类观测仪器会产生各种间隙变化、导轨爬行、震动影响等，大大提升的观测质量。

螺杆102包括第一杆110和第二杆111，第一杆110和第二杆111同轴设置，第一杆110和第二杆111上分别设置有螺纹，第一杆110上的螺纹旋向与第二杆111上的螺纹旋向相同，且第一杆110上的螺纹的螺距与第二杆111上的螺纹的螺距不同，第一杆110和第二杆111分别与两个柔性片105螺接。转动螺杆102，由于第一杆110和第二杆111的螺纹的螺距不同，因此在螺杆转动单位角度时，由于差动原理，两个柔性片105相对于螺杆102移动的距离会不同，比如在顺时针转动螺杆102时，如果位于第一杆110上的柔性片105和位于第二杆111上的柔性片105会同时朝向齿轮盘的方向移动，但由于第一杆110的螺距大于第二杆111的螺距，第一杆110上的柔性片105运动速度微微大于第二杆111上的柔性片105的运动速度，这时两个柔性片105就会相互远离；同样的，如果逆时针转动螺杆102时，位于第一杆110上的柔性片105和位于第二杆111上的柔性片105会同时朝向第二杆111的方向移动，但由于第一杆110的螺距大于第二杆111的螺距，第一杆110上的柔性片105运动速度微微大于第二杆111上的柔性片105的运动速度，这时两个柔性片105就会相互靠近。

第一杆110的直径大于第二杆111的直径。这样可以避免位于第二杆111上的柔性片105移动到第一杆110上或者是位于第一杆110上的柔性片105移动到第二杆111上，从而避免对螺杆102和柔性片105上的螺纹孔109造成不可逆的伤害。

柔性片105包括第一片106和第二片107，第一片106与第一端块103连接，第二片107与第二端块104连接，第一片106远离第一端块103的一端与第二片107连接，第一片106与第二片107的连接处设置有螺纹孔109，螺杆102螺接于螺纹孔109，第一片106和第二片107倾斜设置，两个第一片106的距离沿第一端块103朝向第二端块104的方向逐渐变大，两个第二片107的距离沿第二端块104朝向第二端块104的方向逐渐变大。

第一片106的宽度沿第一端块103朝向第二端块104的方向逐渐减小，第二片107的宽度沿第二端块104朝向第一端块103的方向逐渐减小。这样柔性片105在发生形变相互靠近时，更加的容易方便，且受到的损伤会降至最小。

第一片106与第一端块103的连接处设置有倒角，第二片107与第二端块104的连接处设置有倒角。这样可以让柔性片105在发生形变时更加的容易，且能让柔性片105与第一端块103和第二端块104的连接处受到的伤害减小。

第一片106与第二片107的连接处设置有刚性螺块108，刚性螺块108呈柱形，第一片106和第二片107沿刚性螺块108的轴心线对称设置，螺纹孔109设置于刚性螺块108，螺纹孔109与刚性螺块108同轴设置。刚性螺块108的设置可以延长螺纹孔109的长度，从而让柔性片105与螺杆102的连接更加的稳定牢固，这样纳米级微动机构115受到震动的影响也就越小，同时也能让螺杆102与柔性片105之间的传动更加的精确可靠。

柔性金属框架101采用一体成型技术制成。采用一体成型制成的柔性金属框架101结构强度高，且精度更易控制。

实施例2

参照图6至图9，本实施例提供了一种测量仪器，包括底座112、驱动电机114、固定测杆113、固定测片116、活动测片117和如上的纳米级微动机构115，固定测杆113和纳米级微动机构115分别安装于底座112，第二端块104与底座112固定连接，第一端块103朝向固定测杆113设置，固定测杆113的一端安装于底座112，固定测杆113的另一端朝向第一端块103设置，固定测杆113的轴心线可以是与第一端块103和第二端块104的连接线共线，固定测杆113与第一端块103之间形成测微间隙118；固定测片116和活动测片117均位于测微间隙118内，固定测片116安装于固定测杆113，活动测片117安装于第一端块103，固定测片116与活动测片117间隔设置，驱动电机114驱动连接螺杆102。

本实施例提供的测量仪器包括上述的柔性金属框架101，采用简单的结构完成测量，其测量精度高且可靠，同时，在测量时几乎不受到震动的影响。

螺杆102还包括齿轮盘119，齿轮盘119与螺杆102同轴设置，且齿轮盘119与螺杆102固定连接，齿轮盘119与驱动电机114的输出端虚位啮合，参阅图9，驱动电机114的输出端设置有输出齿，输出齿的厚度大于齿轮盘119的厚度，在驱动电机114工作时，螺杆102在转动的过程中，由于柔性金属框架101中的第二端块104是与底座112固定连接的，因此柔性金属框架101不会上下移动，此时螺杆102就会沿其轴心线有微小的移动，输出齿的厚度大于齿轮盘119的厚度可以让螺杆102在沿其轴心线移动时，齿轮盘119始终与输出齿啮合，从而保证测量仪器的正常工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米级微动机构，其特征在于，包括螺杆和柔性金属框架，所述柔性金属框架包括第一端块、第二端块和两个柔性片，所述柔性片的两端分别与所述第一端块和所述第二端块连接，两个所述柔性片间隔设置，且两个所述柔性片分别与所述螺杆螺接，转动所述螺杆令两个所述柔性片相互远离或者靠近。

2.根据权利要求1所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述螺杆包括第一杆和第二杆，所述第一杆和所述第二杆同轴设置，所述第一杆和所述第二杆上分别设置有螺纹，所述第一杆上的螺纹旋向与所述第二杆上的螺纹旋向相同，且所述第一杆上的螺纹的螺距与所述第二杆上的螺纹的螺距不同，所述第一杆和所述第二杆分别与两个所述柔性片螺接。

3.根据权利要求2所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述第一杆的直径大于所述第二杆的直径。

4.根据权利要求1所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述柔性片包括第一片和第二片，所述第一片与所述第一端块连接，所述第二片与所述第二端块连接，所述第一片远离所述第一端块的一端与所述第二片连接，所述第一片与所述第二片的连接处设置有螺纹孔，所述螺杆螺接于所述螺纹孔，所述第一片和所述第二片倾斜设置，两个所述第一片的距离沿所述第一端块朝向所述第二端块的方向逐渐变大，两个所述第二片的距离沿所述第二端块朝向所述第二端块的方向逐渐变大。

5.根据权利要求4所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述第一片的宽度沿所述第一端块朝向所述第二端块的方向逐渐减小，所述第二片的宽度沿所述第二端块朝向所述第一端块的方向逐渐减小。

6.根据权利要求4所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述第一片与所述第一端块的连接处设置有倒角，所述第二片与所述第二端块的连接处设置有倒角。

7.根据权利要求4所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述第一片与所述第二片的连接处设置有刚性螺块，所述刚性螺块呈柱形，所述第一片和所述第二片沿所述刚性螺块的轴心线对称设置，所述螺纹孔设置于所述刚性螺块，所述螺纹孔与所述刚性螺块同轴设置。

8.根据权利要求1所述的纳米级微动机构，其特征在于，所述柔性金属框架采用一体成型技术制成。

9.一种测量仪器，其特征在于，包括底座、驱动电机、固定测杆、固定测片、活动测片和如权利要求1至8任一项所述的纳米级微动机构，所述固定测杆和所述纳米级微动机构分别安装于所述底座，所述第二端块与所述底座固定连接，所述第一端块朝向所述固定测杆设置，所述固定测杆的一端安装于所述底座，所述固定测杆的另一端朝向所述第一端块设置，所述固定测杆与所述第一端块之间形成测微间隙；所述固定测片和所述活动测片均位于所述测微间隙内，所述固定测片安装于所述固定测杆，所述活动测片安装于所述第一端块，所述固定测片与所述活动测片间隔设置，所述驱动电机驱动连接所述螺杆。

10.根据权利要求9所述的测量仪器，其特征在于，所述螺杆还包括齿轮盘，所述齿轮盘与所述螺杆同轴设置，且所述齿轮盘与所述螺杆固定连接，所述齿轮盘与所述驱动电机的输出端虚位啮合。