CN109622348B - 一种三维解耦超声纳米振动台 - Google Patents
一种三维解耦超声纳米振动台 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109622348B CN109622348B CN201910094734.3A CN201910094734A CN109622348B CN 109622348 B CN109622348 B CN 109622348B CN 201910094734 A CN201910094734 A CN 201910094734A CN 109622348 B CN109622348 B CN 109622348B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic vibration
- vibration table
- driving mechanism
- ultrasonic
- base
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 65
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 31
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
一种三维解耦超声纳米振动台，包括基座，所述的基座上设置有超声振动台，所述超声振动台的底部与所述的基座为镶嵌式连接，所述超声振动台内沿超声振动台的X、Y方向分别设置有用于对超声振动台的主振动台进行X、Y方向超声振动驱动的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构，所述超声振动台的底端沿超声振动台的Z方向设置有用于对超声振动台的主振动台进行Z方向超声振动驱动的第三超声振动驱动机构，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构之间为相互垂直设置。本发明超声振动台采用整体设计，结构简单、紧凑，能够有效提高超声振动台的一阶固有频率，从而保证超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声纳米振动台。特别是涉及一种三维解耦超声纳米振动台。
背景技术
随着纳米器件在航空航天、生物医疗、半导体等领域的广泛应用，对纳米加工的能力也提出了更高的要求。在纳米加工领域，光刻加工、电子束加工、聚集离子束加工等加工方法，由于仪器成本、加工环境的限制，更适合于产品的大批量生产。而基于原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)探针的纳米刻划加工方法，由于其原理简单、简单易行、仪器成本低、且可在实验室环境中实现的优势，更适合进行小批量的样件的加工。但原子力显微镜是作为表面的测量表征设备，直接将其用于纳米加工时，存在一些固有的局限性，比如加工精细度有限，仅在数十纳米级别；加工深度有限，在刻划较硬材料时，最深不超过几十纳米；加工速度低等。所以，基于原子力显微镜探针的纳米加工方法在加工能力上的局限性限制了它的加工效率和应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有结构紧凑、运动解耦、振动频率可调、高一阶固有频率特性的三维解耦超声纳米振动台。
本发明所采用的技术方案是：一种三维解耦超声纳米振动台，包括基座，所述的基座上设置有超声振动台，所述超声振动台的底部与所述的基座为镶嵌式连接，所述超声振动台内沿超声振动台的X、Y方向分别设置有用于对超声振动台的主振动台进行X、Y方向超声振动驱动的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构，所述超声振动台的底端沿超声振动台的Z方向设置有用于对超声振动台的主振动台进行Z方向超声振动驱动的第三超声振动驱动机构，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构之间为相互垂直设置。
所述超声振动台包括有中空的振动台基体，所述主振动台位于所述振动台基体的中心，并且，所述主振动台通过四个对称设置的簧片型柔性铰链与所述振动台基体一体柔性连接，每两个所述簧片型柔性铰链之间均形成有一个侧安装槽，形成的四个所述的侧安装槽为十字对称，所述第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别安装在相邻的两个侧安装槽内，所述主振动台的底端与所述的基座之间形成有用于安装所述第三超声振动驱动机构的下安装槽。
所述的振动台基体位于周边处设置有若干个用于连接外部设备的安装孔。
所述的第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构结构相同，均包括有由超声振动台中的主振动台侧边至振动台基体的内周面依次设置、或由超声振动台中的主振动台底端至基座依次设置的平面陶瓷垫片、球面陶瓷垫片、压电陶瓷片和预紧垫片，其中，所述球面陶瓷垫片的平面端与所述压电陶瓷片为面接触连接，所述球面陶瓷垫片的球面与所述平面陶瓷垫片为点接触连接，所述振动台基体的侧壁上对应所述的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别形成有水平贯通螺孔，所述水平贯通螺孔内设置有用于对第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别与主振动台的接触连接进行调节性预紧的水平预紧螺栓，所述基座上对应所述的第三超声振动驱动机构结构形成有垂直贯通螺孔，所述垂直贯通螺孔内设置有用于对第三超声振动驱动机构结构与主振动台的接触连接进行调节性预紧的垂直预紧螺栓。
本发明的一种三维解耦超声纳米振动台，超声振动台采用整体设计，结构简单、紧凑，能够有效提高超声振动台的一阶固有频率，从而保证超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围；采用空间正交布置的三个压电陶瓷片对超声振动台进行X/Y/Z方向的驱动，可为超声振动台的提供多种可调的一维、二维、甚至三维的高频(最大可达数MHz)的振动形式，适应不同材料、不同机理的加工需求；压电陶瓷片与超声振动台之间采用球面陶瓷垫片和平面陶瓷垫片连接，可以有效消除由加工或装配误差导致的对压电陶瓷片的弯矩，防止压电陶瓷片在工作过程中发生破坏，并提高连接处的硬度和耐磨性。
附图说明
图1是本发明一种三维解耦超声纳米振动台的整体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的剖视图；
图4是本发明中超声振动台的整体结构示意图。
图中
1：基座 2：超声振动台
21：振动台基体 22：侧安装槽
23：簧片型柔性铰链 24：主振动台
25：下安装槽 26：安装孔
27：水平预紧螺栓 28：垂直预紧螺栓
8、4、12：预紧垫片 9、5、13：球面陶瓷垫片
10、6、14：平面陶瓷垫片 7、12、11：压电陶瓷片
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种三维解耦超声纳米振动台做出详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的一种三维解耦超声纳米振动台，包括基座1，所述的基座1上设置有超声振动台2，所述超声振动台2的底部与所述的基座1为镶嵌式连接，所述超声振动台2内沿超声振动台2的X、Y方向分别设置有用于对超声振动台2的主振动台24进行X、Y方向超声振动驱动的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构，所述超声振动台2的底端沿超声振动台2的Z方向设置有用于对超声振动台2的主振动台24进行Z方向超声振动驱动的第三超声振动驱动机构，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构之间为相互垂直设置。在超声振动台2工作过程中，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构分别对超声振动台2的三个方向上的振动单独或配合地提供振动输入，从而实现一维/二维/三维振型的超声振动的输出。
如图4所示，所述超声振动台2包括有中空的振动台基体21，所述主振动台24位于所述振动台基体21的中心，并且，所述主振动台24通过四个对称设置的簧片型柔性铰链23与所述振动台基体21一体柔性连接，每两个所述簧片型柔性铰链23之间均形成有一个侧安装槽22，形成的四个所述的侧安装槽22为十字对称，所述第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别安装在相邻的两个侧安装槽22内，所述主振动台24的底端与所述的基座1之间形成有用于安装所述第三超声振动驱动机构的下安装槽25。所述的振动台基体21位于周边处设置有若干个用于连接外部设备的安装孔26。本发明将所述的超声振动台2采用整体设计，可有效提高超声振动台的一阶固有频率，及超声纳米振动平台辅助加工的可调频率范围。
如图2、图3所示，所述的第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构结构相同，均包括有由超声振动台2中的主振动台24侧边至振动台基体21的内周面依次设置、或由超声振动台2中的主振动台24底端至基座1依次设置的平面陶瓷垫片10、6、14、球面陶瓷垫片9、5、13、压电陶瓷片7、12、11和预紧垫片8、4、12，其中，所述球面陶瓷垫片9、5、13的平面端与所述压电陶瓷片7、12、11为面接触连接，所述球面陶瓷垫片9、5、13的球面与所述平面陶瓷垫片10、6、14为点接触连接，从而实现压电陶瓷片7、12、11与主振动台24之间的点接触，消除由于加工或装配误差导致的对压电陶瓷片7、12、11的弯矩，并对三个方向上的输入振动进行解耦，且陶瓷材料可提供很高的硬度和耐磨性。所述振动台基体21的侧壁上对应所述的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别形成有水平贯通螺孔，所述水平贯通螺孔内设置有用于对第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别与主振动台24的接触连接进行调节性预紧的水平预紧螺栓27，所述基座1上对应所述的第三超声振动驱动机构结构形成有垂直贯通螺孔，所述垂直贯通螺孔内设置有用于对第三超声振动驱动机构结构与主振动台24的接触连接进行调节性预紧的垂直预紧螺栓28。
本发明的一种三维解耦超声纳米振动台，能够提供高精度、高频率的三维超声纳米振动，具有结构紧凑、运动解耦、振动频率可调、高一阶固有频率的特性。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种三维解耦超声纳米振动台，包括基座（1），其特征在于，所述的基座（1）上设置有超声振动台（2），所述超声振动台（2）的底部与所述的基座（1）为镶嵌式连接，所述超声振动台（2）内沿超声振动台（2）的X、Y方向分别设置有用于对超声振动台（2）的主振动台（24）进行X、Y方向超声振动驱动的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构，所述超声振动台（2）的底端沿超声振动台（2）的Z方向设置有用于对超声振动台（2）的主振动台（24）进行Z方向超声振动驱动的第三超声振动驱动机构，所述第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构之间为相互垂直设置；
所述超声振动台（2）包括有中空的振动台基体（21），所述主振动台（24）位于所述振动台基体（21）的中心，并且，所述主振动台（24）通过四个对称设置的簧片型柔性铰链（23）与所述振动台基体（21）一体柔性连接，每两个所述簧片型柔性铰链（23）之间均形成有一个侧安装槽（22），形成的四个所述的侧安装槽（22）为十字对称，所述第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别安装在相邻的两个侧安装槽（22）内，所述主振动台（24）的底端与所述的基座（1）之间形成有用于安装所述第三超声振动驱动机构的下安装槽（25）。
2.根据权利要求1所述的一种三维解耦超声纳米振动台，其特征在于，所述的振动台基体（21）位于周边处设置有若干个用于连接外部设备的安装孔（26）。
3.根据权利要求1所述的一种三维解耦超声纳米振动台，其特征在于，所述的第一超声振动驱动机构、第二超声振动驱动机构和第三超声振动驱动机构结构相同，均包括有由超声振动台（2）中的主振动台（24）侧边至振动台基体（21）的内周面依次设置、或由超声振动台（2）中的主振动台（24）底端至基座（1）依次设置的平面陶瓷垫片（10、6、14）、球面陶瓷垫片（9、5、13）、压电陶瓷片（7、12、11）和预紧垫片（8、4、12），其中，所述球面陶瓷垫片（9、5、13）的平面端与所述压电陶瓷片（7、12、11）为面接触连接，所述球面陶瓷垫片（9、5、13）的球面与所述平面陶瓷垫片（10、6、14）为点接触连接，所述振动台基体（21）的侧壁上对应所述的第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别形成有水平贯通螺孔，所述水平贯通螺孔内设置有用于对第一超声振动驱动机构和第二超声振动驱动机构分别与主振动台（24）的接触连接进行调节性预紧的水平预紧螺栓（27），所述基座（1）上对应所述的第三超声振动驱动机构结构形成有垂直贯通螺孔，所述垂直贯通螺孔内设置有用于对第三超声振动驱动机构结构与主振动台（24）的接触连接进行调节性预紧的垂直预紧螺栓（28）。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910094734.3A CN109622348B (zh) | 2019-01-31 | 2019-01-31 | 一种三维解耦超声纳米振动台 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910094734.3A CN109622348B (zh) | 2019-01-31 | 2019-01-31 | 一种三维解耦超声纳米振动台 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109622348A CN109622348A (zh) | 2019-04-16 |
| CN109622348B true CN109622348B (zh) | 2020-07-24 |
Family
ID=66064347
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910094734.3A Expired - Fee Related CN109622348B (zh) | 2019-01-31 | 2019-01-31 | 一种三维解耦超声纳米振动台 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109622348B (zh) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104624463B (zh) * | 2015-01-09 | 2017-01-25 | 天津大学 | 一种二维超声振动平台 |
| CN104596720B (zh) * | 2015-01-15 | 2017-08-08 | 浙江大学 | 基于簧片式解耦装置的三分量标准振动台 |
| CN105312679B (zh) * | 2015-10-15 | 2017-08-04 | 南京航空航天大学 | 三维超声椭圆振动辅助切削装置及椭圆轨迹产生方法 |
| KR20170057658A (ko) * | 2015-11-17 | 2017-05-25 | 최영희 | 고효율 초음파 진동자 |
| CN108561700B (zh) * | 2018-06-08 | 2020-03-06 | 天津大学 | 一种三自由度超声振动辅助加工精密定位平台 |
-
2019
- 2019-01-31 CN CN201910094734.3A patent/CN109622348B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109622348A (zh) | 2019-04-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108561700B (zh) | 一种三自由度超声振动辅助加工精密定位平台 | |
| Deng et al. | Development of a nanopositioning platform with large travel range based on bionic quadruped piezoelectric actuator | |
| CN106195541B (zh) | 一种三自由度压电驱动微纳定位平台 | |
| CN107833594A (zh) | 一种用于高精度定位和测量的二维三自由度微动平台结构 | |
| CN109176420B (zh) | 一种中置移动关节式柔性解耦精密定位结构 | |
| Lee et al. | Optimum design of a large area, flexure based XYθ mask alignment stage for a 12-inch wafer using grey relation analysis | |
| CN105643592B (zh) | 一种对称解耦单自由度柔性操作机构 | |
| CN103817064B (zh) | 二维压电振动平台 | |
| Zhang et al. | A 3-DOF piezoelectric micromanipulator based on symmetric and antisymmetric bending of a cross-shaped beam | |
| CN102072383B (zh) | 具有全柔顺支链的空间四自由度微动超精密定位平台 | |
| CN107481767B (zh) | 驱动组件及柔性精密定位平台 | |
| CN100999080A (zh) | 三平动正交解耦并联微动平台 | |
| CN105006254A (zh) | 一种具有双位移放大的大行程快速响应x-y微动工作台 | |
| CN106881618A (zh) | 一种两轴联动的快刀伺服装置 | |
| CN104895913A (zh) | 两自由度运动解耦柔性铰链机构 | |
| CN109622349B (zh) | 一种用于微纳加工的二维超声振动平台 | |
| Ghafarian et al. | An XYZ micromanipulator for precise positioning applications | |
| CN101786269B (zh) | 微纳传动平台 | |
| CN109622348B (zh) | 一种三维解耦超声纳米振动台 | |
| Zhang et al. | A bending hybrid linear piezoelectric actuator using sectional excitation | |
| Deng et al. | Modeling and experiments of a nano-positioning and high frequency scanning piezoelectric platform based on function module actuator | |
| Lv et al. | A parallel 3-DOF micro-nano motion stage for vibration-assisted milling | |
| CN103296194B (zh) | 压电致动装置 | |
| CN106646860B (zh) | 微动装置、显微镜扫描头及显微镜装置 | |
| CN109759855B (zh) | 一种三维超声纳米振动辅助加工平台 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200724 Termination date: 20220131 |