CN108444915B - 一种压电驱动的单自由度光学检测平台及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电驱动的单自由度光学检测平台及使用方法，包括驱动平台，驱动平台具有上部开口的中空结构，驱动平台顶端具有四个对称分布的板簧铰链，四个板簧铰链一端与驱动平台连接，另一端连接末端平台的四个角处，所述末端平台底面连接位于中空结构内部的杠杆放大机构，杠杆放大机构及驱动平台分别与驱动装置的两端连接，将驱动装置产生的伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生沿驱动平台轴向方向的位移，所述末端平台中心及驱动平台底部具有同心的通光孔，末端平台上安装有精密镜架，所述末端平台的侧面上安装有检测机构，本发明的光学检测平台行程大、负载能力强，分辨率高，响应速度快，可操作性强。

Description

一种压电驱动的单自由度光学检测平台及使用方法

技术领域

本发明涉及光学检测设备技术领域，具体涉及一种压电驱动的单自由度光学检测平台及使用方法。

背景技术

微纳技术是21世纪世界各国重点发展的高科技技术，其中具有纳米级定位精度的超精密微纳定位平台是微纳技术的核心动力装置。超精密微纳定位平台在精密光学工程领域具有广泛的应用。

光学检测平台是安装光学检测样片及试件的关键性基础承载装置,其主要作用是实现检测过程中样片的稳定以及位置的调整，目前有的光学检测平台通常采用悬臂梁结构实现对样片姿态调整，即悬臂梁的一端固定在末端平台上，另一端上固定有待测定样片，在检测过程中试件通过悬臂梁保持与末端平台同时运动，并通过安装在其上的驱动系统、传动系统、传感系统等附属装置实现检测过程中试件位置的精密对焦调整,以完成整个光学检测操作。

然而，现有的光学检测平台存在的不足之处在于，平台的中央没有检测所需的通光孔，需要通过悬臂形式将样片固定，使得样片的轴心与平台的轴心产生偏差，使得其定位精度和可靠性差，封闭式的的平台不利于测定样品的滴加，且现有的光学检测平台响应速度和分辨率低。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种压电驱动的单自由度光学检测平台，具有沿竖直方向平动的一个自由度，具有行程大、负载能力强，分辨率高，响应速度快，内部空间大，可操作性强等优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种压电驱动的单自由度光学检测平台，包括驱动平台，所述驱动平台具有上部开口的中空结构，所述驱动平台顶端具有四个对称分布的板簧铰链，四个板簧铰链一端与驱动平台连接，另一端连接末端平台的四个角处，所述末端平台底面连接位于中空结构内部的杠杆放大机构，所述杠杆放大机构及驱动平台分别与驱动装置的两端连接，将驱动装置产生的竖向伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生沿驱动平台轴向方向的位移，所述末端平台中心及驱动平台底部具有同心的通光孔，末端平台上安装有精密镜架，所述末端平台的侧面上安装有检测机构。

进一步的，所述杠杆放大机构包括第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链，所述第二柔性铰链及第三柔性铰链一端垂直固定于第一柔性铰链的一端，第二柔性铰链及第三柔性铰链另一端与末端平台固定连接，第二柔性铰链及第三柔性铰链相对于驱动平台的轴线对称分布，第一柔性铰链的另一端固定于中空结构的侧壁上。

进一步的，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链采用半圆型柔性铰链。

进一步的，所述通光孔、杠杆放大机构、板簧铰链采用线切割加工制成。

进一步的，所述第一柔性铰链的表面上加工有第一锥形孔，第一柔性铰链上方的中空结构侧壁上固定有预紧台，所述预紧台中贯穿有预紧螺钉，所述预紧螺钉端部加工有与第一锥形孔同心的第二锥形孔。

进一步的，所述驱动装置包括两个陶瓷半球头及位于两个陶瓷半球头之间的压电陶瓷叠堆，下方的陶瓷半球头与第一柔性铰链表面的第一锥形孔接触，上方的陶瓷半球头与预紧螺钉上的第二锥形孔接触，整个驱动装置利用预紧螺钉进行预紧，压电陶瓷叠堆的轴线与驱动平台的轴线平行。

进一步的，所述检测机构包括与末端平台侧面一体式连接的光栅尺安装基座，固定于驱动平台上的光栅读数头安装基座，所述光栅尺安装基座上固定有光栅尺，所述光栅读数头安装基座上固定有光栅读数头。

进一步的，所述精密镜架包括上镜架及下镜架，上镜架及下镜架之间贯穿有四个镜架支杆，镜架支杆的下端通过转接螺钉固定于末端平台上，镜架支杆的上端通过转接螺钉装配有上压片夹和下压片夹，上压片夹和下压片夹利用旋紧在转接螺钉上的螺母进行压紧。

本发明还公开了一种压电驱动的单自由度光学检测平台的使用方法，所述光学检测平台可以正置使用，也可悬空倒置使用，包括以下步骤：

步骤1：将样片放置在上压片夹及下压片夹之间，并利用螺母将样片压紧。

步骤2：将压电陶瓷叠堆的产生伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生沿驱动平台轴线方向的位移，调整样品在驱动平台轴线方向上的位置，然后进行光学检测。

进一步的，所述步骤2中，通电时，压电陶瓷叠堆伸长，其下端的陶瓷半球头对第一柔性铰链的第一锥形孔产生压力，第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链变形，产生位移放大作用，带动末端平台驱动平台轴线方向的运动，精密镜架及样片随末端平台运动，样片在驱动平台轴线方向上的位置进行调整，同时与末端平台连接的板簧铰链发生变形。

断电时，压电陶瓷叠堆缩短，陶瓷半球头对第一锥形孔的压力减小，第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链的变形恢复，带动末端平台反向运动，板簧铰链的变形恢复。

本发明的有益效果：

1.本发明的光学检测平台，与传统的采用精密电机驱动方式不同，该平台采用压电陶瓷叠堆进行驱动，提高了平台的响应速度，分辨率和定位精度。

2.本发明的光学检测平台,在驱动平台轴线方向上的驱动仅采用一个压电陶瓷叠堆进行，避免了多个压电陶瓷叠堆在同一电压信号下伸长不一致，减少了复杂的装配，有效的提高了平台的精度。

3.在贯穿末端平台及驱动平台轴线处加工有通光孔，不仅可以在光学检测时起到透光的作用，还可以增大平台的内部操作空间，使得平台在倒置安装时样品的滴加更加准确，且检测目镜可以深入平台内部，在不影响平台运动的前提下实现对通过样片的透射光进行检测。

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限定。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明驱动平台、末端平台及杠杆放大机构装配示意图；

图3为本发明未安装精密镜架时结构主视示意图；

其中，1.驱动平台，2.板簧铰链，3.末端平台，4.第一柔性铰链，41.第一锥形孔，5.第二柔性铰链，6.第三柔性铰链，7.通光孔，8.预紧台，9.预紧螺钉，10.陶瓷半球头，11.压电陶瓷叠堆，12.光栅尺安装基座，13.光栅读数头安装基座，14.光栅读数头，15.上镜架，16.下镜架，17.镜架支杆，18.上压片夹，19.下压片夹，20.螺母。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的光学检测平台存在的不足之处在于，平台的中央没有检测所需的通光孔，需要通过悬臂形式将样片固定，使得样片的轴心与平台的轴心产生偏差，使得其定位精度和可靠性差，封闭式的的平台不利于测定样品的滴加，且现有的光学检测平台响应速度和分辨率低，针对上述问题，本申请提出了一种压电驱动的单自由度光学检测平台。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-3所示，一种压电驱动的单自由度光学检测平台，包括立方体结构的驱动平台1，所述驱动平台具有上部开口的中空结构，所述驱动平台顶端四个角处具有四个对称分布的板簧铰链2，四个板簧铰链一端与驱动平台连接，另一端连接末端平台3的四个角处，所述末端平台底面连接位于中空结构内部的杠杆放大机构，所述杠杆放大机构及驱动平台分别与驱动装置的两端连接，将驱动装置产生的竖向伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生竖向的位移，所述末端平台中心及驱动平台底部具有同心通光孔7，所述通光孔的直径为40mm，用于光学检测时透光，同时增大了驱动平台内部的操作空间，便于样品的滴加和透射光的检测，末端平台上安装有精密镜架，所述末端平台的侧面上安装有检测机构。

所述杠杆放大机构包括第一柔性铰链4、第二柔性铰链5及第三柔性铰链6，所述第二柔性铰链及第三柔性铰链一端垂直固定于第一柔性铰链的一端，第二柔性铰链及第三柔性铰链另一端与末端平台固定连接，第二柔性铰链及第三柔性铰链相对于中空结构的轴线对称分布，第一柔性铰链的另一端固定于中空结构的侧壁上，为了不遮挡驱动平台上的通过孔，第一柔性铰链上具有弧形空腔结构。

为了减少杠杆放大机构带来的寄生位移，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链采用运动精度高、应力集中小的半圆型柔性铰链，末端平台四个角处的对称分布的四组板簧铰链也能够进一步减少杠杆放大机构带来的寄生位移。

所述通光孔、杠杆放大机构、板簧铰链采用电火花线切割加工制成。其余零件根据精度要求采取传统加工方法，其中杠杆放大机构及板簧铰链部分的材料选择决定了微纳定位平台的性能，其材料要求高强度大应变，为了能够满足驱动平台的性能要求，采用7075航空铝作为其加工制作材料。

所述第一柔性铰链的表面上加工有第一锥形孔41，第一柔性铰链上方的中空结构侧壁上固定有预紧台8，所述预紧台中贯穿有预紧螺钉9，所述预紧螺钉端部加工有与第一锥形孔同心的第二锥形孔。

所述驱动装置包括两个陶瓷半球头10及位于两个陶瓷半球头之间的压电陶瓷叠堆11，下方的陶瓷半球头与第一柔性铰链表面的第一锥形孔接触，上方的陶瓷半球头与预紧螺钉上的第二锥形孔接触，整个驱动装置利用预紧螺钉进行预紧，压电陶瓷叠堆的预紧依靠预紧螺钉上的锥形孔与陶瓷半球头的接触来进行调整，保证了压电陶瓷叠堆与驱动平台轴线的一致。

所述检测机构包括与末端平台侧面一体式连接的光栅尺安装基座12，通过螺钉固定于驱动平台上的光栅读数头安装基座13，所述光栅尺安装基座上固定有光栅尺，所述光栅读数头安装基座上固定有光栅读数头14。

所述精密镜架包括上镜架15及下镜架16，上镜架及下镜架之间通过四个安装通孔贯穿有四个镜架支杆17，镜架支杆的下端通过转接螺钉固定于末端平台上，镜架支杆的上端通过转接螺钉装配有上压片夹18和下压片夹19，上压片夹和下压片夹利用旋紧在转接螺钉上的螺母20进行压紧，上、下镜架与上压片夹及下压片夹采用同轴安装，便于调整样片与水平面之间的微倾角，工作时，精密镜架随着末端平台沿驱动平台轴线方向进行平动。

本发明还公开了一种压电驱动的单自由度光学检测平台的使用方法，所述光学检测平台可以正置使用，也可悬空倒置使用，以正置使用为例进行说明，包括以下步骤：

步骤1：将样片放置在上压片夹及下压片夹之间，并利用螺母将样片压紧。

步骤2：将压电陶瓷叠堆的产生伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生沿驱动平台轴线方向的位移，调整样品在驱动平台轴线方向上的位置，然后进行光学检测。

所述步骤2中，通电时，压电陶瓷叠堆伸长，其下端的陶瓷半球头对第一柔性铰链的第一锥形孔产生正向压力，第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链变形，产生位移放大作用，将一端输入位移放大为两端输出位移，带动末端平台驱动平台轴线方向的运动，同时与末端平台连接的板簧铰链发生变形，精密镜架带动样品随末端平台运动，调整样片在驱动平台轴线方向上的位置。

断电时，压电陶瓷叠堆缩短，陶瓷半球头对第一锥形孔的压力减小，第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链的变形恢复，带动末端平台反向运动，板簧铰链的变形恢复。

本发明的光学检测平台，可实现单自由度高响应速度，高精度、高分辨率的运动，可用于扫描探针显微镜、光学精密测量、微生物学微纳操作等。

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 (8)

1.一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，包括驱动平台，所述驱动平台具有上部开口的中空结构，所述驱动平台顶端具有四个对称分布的板簧铰链，四个板簧铰链一端与驱动平台连接，另一端连接末端平台的四个角处，所述末端平台底面连接位于中空结构内部的杠杆放大机构，所述杠杆放大机构及驱动平台分别与驱动装置的两端连接，将驱动装置产生的沿驱动平台轴线方向的伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生沿驱动平台轴向方向的位移，所述末端平台中心及驱动平台底部具有同心的通光孔，末端平台上安装有精密镜架，所述末端平台的侧面上安装有检测机构；

所述杠杆放大机构包括第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链，所述第二柔性铰链及第三柔性铰链一端垂直固定于第一柔性铰链的一端，第二柔性铰链及第三柔性铰链另一端与末端平台固定连接，第二柔性铰链及第三柔性铰链相对于驱动平台的轴线对称分布，第一柔性铰链的另一端固定于中空结构的侧壁上；

所述第一柔性铰链的表面上加工有第一锥形孔，所述驱动装置包括两个陶瓷半球头及位于两个陶瓷半球头之间的压电陶瓷叠堆，下方的陶瓷半球头与第一柔性铰链表面的第一锥形孔接触。

2.如权利要求1所述的一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链采用半圆型柔性铰链。

3.如权利要求1所述的一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，所述通光孔、杠杆放大机构、板簧铰链采用线切割加工制成。

4.如权利要求1所述的一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，所述第一柔性铰链上方的中空结构侧壁上固定有预紧台，所述预紧台中贯穿有预紧螺钉，所述预紧螺钉端部加工有与第一锥形孔同心的第二锥形孔。

5.如权利要求4所述的一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，上方的陶瓷半球头与预紧螺钉上的第二锥形孔接触，整个驱动装置利用预紧螺钉进行预紧，压电陶瓷叠堆的轴线与驱动平台的轴线平行。

6.如权利要求1所述的一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，所述检测机构包括与末端平台侧面一体式连接的光栅尺安装基座，固定于驱动平台上的光栅读数头安装基座，所述光栅尺安装基座上固定有光栅尺，所述光栅读数头安装基座上固定有光栅读数头。

7.如权利要求1所述的一种压电驱动的单自由度光学检测平台，其特征在于，所述精密镜架包括上镜架及下镜架，上镜架及下镜架之间贯穿有四个镜架支杆，镜架支杆的下端通过转接螺钉固定于末端平台上，镜架支杆的上端通过转接螺钉装配有上压片夹和下压片夹，上压片夹和下压片夹利用旋紧在转接螺钉上的螺母进行压紧。

8.一种权利要求1-7任一项所述的压电驱动的单自由度光学检测平台的使用方法，可以正置使用，也可悬空倒置使用，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将样片放置在上压片夹及下压片夹之间，并利用螺母将样片压紧；

步骤2：将压电陶瓷叠堆的产生伸缩变形通过杠杆放大机构放大传递给末端平台，使末端平台产生沿驱动平台轴线方向的位移，调整样品在驱动平台轴线方向上的位置，然后进行光学检测；

所述步骤2中，通电时，压电陶瓷叠堆伸长，其下端的陶瓷半球头对第一柔性铰链的第一锥形孔产生压力，第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链变形，产生位移放大作用，带动末端平台驱动平台轴线方向的运动，精密镜架及样片随末端平台运动，样片在驱动平台轴线方向上的位置进行调整，同时与末端平台连接的板簧铰链发生变形；

断电时，压电陶瓷叠堆缩短，陶瓷半球头对第一锥形孔的压力减小，第一柔性铰链、第二柔性铰链及第三柔性铰链的变形恢复，带动末端平台反向运动，板簧铰链的变形恢复。

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