CN109650327B - 一种平板式三维大行程纳米操作平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平板式三维大行程纳米操作平台，包括基体，在基体内设有XY平面运动末端和两套压电陶瓷驱动器Ⅰ加传动机构，其中一套沿X向设置，另一套沿Y向设置，XY平面运动末端采用空心柱状结构，XY平面运动末端的四周分别与两个沿X向设置的柔性机构Ⅰ和两个沿Y向设置的柔性机构Ⅰ连接，柔性结构Ⅰ通过与其垂直连接的柔性结构Ⅱ与基体连接，其中相邻的两个柔性结构Ⅱ与两个传动机构的桥式放大机构的输出端连接，在XY平面运动末端上安装有Z平台，在Z平台运动末端的下方设有压电陶瓷驱动器Ⅱ，压电陶瓷驱动器Ⅱ设置在XY平面运动末端的中空结构内。本发明行程大、结构紧凑、稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米操作平台，特别是一种平板式三维大行程纳米操作平台。
背景技术
随着科学的发展和技术的进步，在宏观尺度下技术已经相对成熟的加工和操作，在微纳领域也在经历快速的发展，比如生物医疗领域的细胞和组织操作、半导体领域的三维图案加工与表征等。在这些应用领域内，具有纳米级精度的操作平台是其中的核心部件之一。目前，纳米平台多为用压电陶瓷、音圈电机、电热或电磁驱动器等能够提供纳米级输出精度的驱动器驱动，而压电陶瓷相比其他驱动器具有高精度、高输出力、快速响应、可在常温环境下使用等优点，所以成为纳米操作平台驱动器非常好的选择。但压电陶瓷能够提供的输出位移有限(十～几十μm)，故而通常需要连接运动放大机构来保证足够的输出位移。但现有的压电陶瓷操作平台，多采用平面(二维)设计，由于空间尺寸和设计难度的限制，仍然没有克服操作行程小或者体积大的缺点，从而限制了其在特殊场景中的应用。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种平板式三维大行程纳米操作平台，该平台行程大、结构紧凑、稳定。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种平板式三维大行程纳米操作平台，包括基体，在所述基体内设有XY平面运动末端和两套压电陶瓷驱动器Ⅰ加传动机构，其中一套沿X向设置，另一套沿Y向设置，所述传动机构包括对称布置在所述压电陶瓷驱动器Ⅰ两侧的两个一级运动放大机构和两个杠杆放大机构以及一个桥式放大机构，所述桥式放大机构设置在两个所述杠杆放大机构之间，两个所述一级运动放大机构的输入端与所述压电陶瓷驱动器Ⅰ的输出端连接，两个所述一级运动放大机构的输出端各通过一根连接杆与两个所述杠杆放大机构的输入端连接，两个所述杠杆放大机构的输出端与所述桥式放大机构的两端连接，所述连接杆与所述压电陶瓷驱动器Ⅰ垂直，所述XY平面运动末端采用空心柱状结构，所述XY平面运动末端的四周分别与两个沿X向设置的柔性机构Ⅰ和两个沿Y向设置的柔性机构Ⅰ连接，所述柔性结构Ⅰ通过与其垂直连接的柔性结构Ⅱ与所述基体连接，其中相邻的两个所述柔性结构Ⅱ与两个所述传动机构的桥式放大机构的输出端连接，在所述XY平面运动末端上安装有Z平台，所述Z平台包括固接在所述XY平面运动末端底部的下板和固接在所述XY平面运动末端顶部的上板基座，在所述上板基座的中央形成有Z平台运动末端，所述Z平台运动末端与所述上板基座通过均布的多个簧片型柔性铰链Ⅲ连接，在所述Z平台运动末端与所述下板之间设有压电陶瓷驱动器Ⅱ，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ设置在所述XY平面运动末端的中空结构内。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
所述柔性机构Ⅰ为簧片型柔性铰链Ⅰ，所述柔性机构Ⅱ为簧片型柔性铰链Ⅱ，所述XY平面运动末端的四周分别与两个沿X向设置的簧片型柔性铰链Ⅰ和两个沿Y向设置簧片型柔性铰链Ⅰ连接，所述簧片型柔性铰链Ⅰ通过与其垂直连接的簧片型柔性铰链Ⅱ与所述基体连接。
所述簧片型柔性铰链Ⅲ是采用弧形簧片形成的。
所述一级运动放大机构采用SR运动放大机构。
所述XY平面运动末端采用底面为正方形的空心直四棱柱结构。
本发明具有的优点和积极效果是：在X/Y方向采用了结构对称的三级运动放大机构，对压电陶瓷的输出位移进行放大，仿真结果表明放大倍数可达14倍以上，从而为微纳加工、表征、或操作提供足够的工作行程；XY平面运动末端采用多级弯折簧片式柔性铰链与基体连接，在运动方向上具有高柔度特性，并在X/Y方向具有解耦特性；Z平台采用与XY平面运动末端串联设计，在XY平面运动末端的有限空间内，为操作平台提供解耦的Z向运动，并实现XY平面运动末端在运动过程中在Z方向上的耦合运动的补偿。并且本发明结构紧凑、稳定，性能可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸视图；
图3为本发明的XY平面运动末端结构示意图；
图4为本发明的Z平台上部结构示意图。
图中：11、基体；12、SR运动放大机构；13、连接杆；14、杠杆放大机构；15、桥式放大机构；16、簧片型柔性铰链Ⅱ；17、簧片型柔性铰链Ⅰ；18、XY平面运动末端；21、上板基座；22、簧片型柔性铰链Ⅲ；23、Z平台运动末端；3、压电陶瓷驱动器Ⅰ；4、压电陶瓷驱动器Ⅱ；5、下板。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，一种平板式三维大行程纳米操作平台，包括基体，在所述基体11内设有XY平面运动末端18和两套压电陶瓷驱动器Ⅰ加传动机构，其中一套沿X向设置，另一套沿Y向设置。
所述传动机构包括对称布置在所述压电陶瓷驱动器Ⅰ3两侧的两个一级运动放大机构和两个杠杆放大机构14以及一个桥式放大机构15，所述桥式放大机构15设置在两个所述杠杆放大机构14之间，两个所述一级运动放大机构的输入端与所述压电陶瓷驱动器Ⅰ3的输出端连接，两个所述一级运动放大机构的输出端各通过一根连接杆13与两个所述杠杆放大机构14的输入端连接，两个所述杠杆放大机构14的输出端与所述桥式放大机构15的两端连接，所述连接杆13与所述压电陶瓷驱动器Ⅰ3垂直。
所述XY平面运动末端18采用空心柱状结构，所述XY平面运动末端18的四周分别与两个沿X向设置的柔性机构Ⅰ和两个沿Y向设置的柔性机构Ⅰ连接，所述柔性结构Ⅰ通过与其垂直连接的柔性结构Ⅱ与所述基体11连接，其中相邻的两个所述柔性结构Ⅱ与两个所述传动机构的桥式放大机构的输出端连接。
在所述XY平面运动末端18上安装有Z平台，所述Z平台包括固接在所述XY平面运动末端18底部的下板5和固接在所述XY平面运动末端18顶部的上板基座21，在所述上板基座21的中央形成有Z平台运动末端23，所述Z平台运动末端23与所述上板基座21通过均布的多个簧片型柔性铰链Ⅲ22连接。
在所述Z平台运动末端23与所述下板5之间设有压电陶瓷驱动器Ⅱ4，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ4设置在所述XY平面运动末端18的中空结构内。
在本实施例中，为了提高机构的柔度，所述柔性机构Ⅰ为簧片型柔性铰链Ⅰ17，所述柔性机构Ⅱ为簧片型柔性铰链Ⅱ16，所述XY平面运动末端18的四周分别与两个沿X向设置的簧片型柔性铰链Ⅰ17和两个沿Y向设置簧片型柔性铰链Ⅰ17连接，所述簧片型柔性铰链Ⅰ17通过与其垂直连接的簧片型柔性铰链Ⅱ16与所述基体11连接。XY平面运动末端18的四周还可以采用基于缺口型柔性铰链的柔性机构与基体11连接。
在本实施例中，为了提供具有较大面积的运动末端，所述簧片型柔性铰链Ⅲ22是采用弧形簧片形成的，也可以采用直线形簧片，但采用这种结构的簧片型柔性铰链Ⅲ，运动末端较小。
在本实施例中，所述一级运动放大机构采用SR运动放大机构12，将运动转为垂直于原方向的运动，所述一级运动放大机构还可以采用Z型运动放大机构。
在本实施例中，所述XY平面运动末端18采用底面为正方形的空心直四棱柱结构，可以保证Z平台有足够的尺寸。
本发明的工作原理：
分别沿X向和Y向设置的
两个压电陶瓷驱动器Ⅰ3在操作平台工作过程中为X/Y二个方向上的运动独立提供输入运动，压电陶瓷驱动器Ⅱ4为Z方向上的运动独立提供输入运动，其中X/Y方向的输入运动经三级运动放大机构的放大后，作用于Z平台进行输出，Z方向的输入运动直接作用于运动末端进行输出。
综上所述，本发明的用于微纳操作的三维纳米操作平台，能够提供高精度、大行程、运动解耦三维运动，并且具有设计紧凑、空间尺寸小的特点。
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的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种平板式三维大行程纳米操作平台，其特征在于，包括基体，在所述基体内设有XY平面运动末端和两套压电陶瓷驱动器Ⅰ加传动机构，其中一套沿X向设置，另一套沿Y向设置，
所述传动机构包括对称布置在所述压电陶瓷驱动器Ⅰ两侧的两个一级运动放大机构和两个杠杆放大机构以及一个桥式放大机构，所述桥式放大机构设置在两个所述杠杆放大机构之间，两个所述一级运动放大机构的输入端与所述压电陶瓷驱动器Ⅰ的输出端连接，两个所述一级运动放大机构的输出端各通过一根连接杆与两个所述杠杆放大机构的输入端连接，两个所述杠杆放大机构的输出端与所述桥式放大机构的两端连接，所述连接杆与所述压电陶瓷驱动器Ⅰ垂直，
所述传动机构采用“SR+杠杆+桥式”组成的三级运动放大机构，对压电陶瓷的输出位移进行放大，并通过对三种放大机构进行合理配置，使机构具有紧凑式布局，有效利用空间，并达到运动行程与运动带宽的综合性能的提升，且形成一个可一体化设计和加工的整体柔性机构，
所述XY平面运动末端采用空心柱状结构，所述XY平面运动末端的四周分别与两个沿X向设置的柔性机构Ⅰ和两个沿Y向设置的柔性机构Ⅰ连接，所述柔性结构Ⅰ通过与其垂直连接的柔性结构Ⅱ与所述基体连接，其中相邻的两个所述柔性结构Ⅱ与两个所述传动机构的桥式放大机构的输出端连接，
在所述XY平面运动末端上安装有Z平台，所述Z平台包括固接在所述XY平面运动末端底部的下板和固接在所述XY平面运动末端顶部的上板基座，在所述上板基座的中央形成有Z平台运动末端，所述Z平台运动末端与所述上板基座通过均布的多个簧片型柔性铰链Ⅲ连接，
在所述Z平台运动末端与所述下板之间设有压电陶瓷驱动器Ⅱ，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ设置在所述XY平面运动末端的中空结构内。
2.根据权利要求1所述的平板式三维大行程纳米操作平台，其特征在于，所述传动机构采用了基于往复弯折式簧片型柔性铰链的运动解耦机构，有效减小了平台的刚度，降低了放大机构的变形造成的放大倍数的损失，从而保证最终的输出位移，
所述运动解耦机构中，柔性机构Ⅰ为簧片型柔性铰链Ⅰ，所述柔性机构Ⅱ为簧片型柔性铰链Ⅱ，所述XY平面运动末端的四周分别与两个沿X向设置的簧片型柔性铰链Ⅰ和两个沿Y向设置簧片型柔性铰链Ⅰ连接，所述簧片型柔性铰链Ⅰ通过与其垂直连接的簧片型柔性铰链Ⅱ与所述基体连接。
3.根据权利要求1所述的平板式三维大行程纳米操作平台，其特征在于，所述簧片型柔性铰链Ⅲ是采用弧形簧片形成的。
4.根据权利要求1所述的平板式三维大行程纳米操作平台，其特征在于，所述一级运动放大机构采用SR运动放大机构。
5.根据权利要求1所述的平板式三维大行程纳米操作平台，其特征在于，所述XY平面运动末端采用底面为正方形的空心直四棱柱结构。
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