CN110474562A - 超高真空用精密压电陶瓷摆动台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高真空用大行程精密压电位移台，包括两个交叉滚珠导轨，每个交叉滚珠导轨包括第一导轨体、第二导轨体和导轨保持架，所述导轨保持架位于第一导轨体和第二导轨体之间，所述导轨保持架同时与第一导轨体和第二导轨体耦合。本发明公开的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，结构简单、尺寸较小、运动范围较大、漂移范围较小，在一个方向运动的同时不会在其他方向产生晃动。
Description
技术领域
本发明属于精密位移技术领域，具体涉及一种超高真空用精密压电陶瓷摆动台。
背景技术
公开号为CN105723608B，主题名称为压电陶瓷平面电机及其驱动方法的发明专利，其技术方案公开了“包括平面基板和安装在所述平面基板上的动子，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机还包括：至少一条压电陶瓷驱动腿，所述压电陶瓷驱动腿设置在所述动子上，用来驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动；其中，所述压电陶瓷驱动腿包括至少一条多自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述多自由度驱动腿的接触头提供至少两个自由度的运动”。
然而，现有的电机驱动的摆动平台，以上述发明专利为例，难以应用于真空和超低温环境。换而言之，摆动台的应用非常广泛，多为手动或电机控制，但是在真空环境中由于没有空气的散热，传统电机驱动的摆动平台都会因为无法散热而烧坏电机，目前能够在真空中使用的电机驱动的摆动平台只有国外的几款，并且即便其能在超高真空环境中使用，放入超低温环境中会由于热胀冷缩效应导致位移平台无法工作，而在真空及低温环境中由于空间有限，都希望位移平台尺寸越小越好，因此常规电机驱动的位移平台在真空及低温环境中的使用大大受限。
目前解决在真空及低温环境中工作的位移平台只有摒弃传统的电机驱动形式，采用压电陶瓷设计的位移平台来实现，相对于传统电机驱动形式，压电陶瓷位移平台尺寸非常小，不仅能够在真空环境中使用，而且也能够在4K的超低温环境中工作，目前国内市场上的压电陶瓷位移平台多从国外进口，货期比较久，价格昂贵，且不支持尺寸及行程的定制，使用也受到了一定程度的限制，通过自主研发压电陶瓷位移平台掌握压电陶瓷位移平台技术不仅节省成本，同时也为后续压电陶瓷位移平台尺寸及功能上的扩展奠定基础。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，克服以上缺陷，提供一种超高真空用精密压电陶瓷摆动台。
本发明采用以下技术方案，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台包括摆动台基座和相对于摆动台基座往复摆动运动的摆动台台面，所述摆动台台面具有台面延伸部，所述超高真空用大行程精密压电位移台还包括：
两个交叉滚珠导轨，每个交叉滚珠导轨包括第一导轨体、第二导轨体和导轨保持架，所述导轨保持架位于第一导轨体和第二导轨体之间，所述导轨保持架同时与第一导轨体和第二导轨体耦合；
两个压电腿底座，所述台面延伸部位于两个压电腿底座之间，所述台面延伸部的两侧分别设有蓝宝石片，所述压电腿底座与位于同侧的蓝宝石片之间设有至少一个压电陶瓷腿，所述压电陶瓷腿粘接于压电腿底座处，所述压电陶瓷腿相对于台面延伸部呈镜面对称状，各个压电陶瓷腿的一侧与蓝宝石片相互贴合并且紧密接触，各个压电陶瓷腿的另一侧与压电腿底座相互贴合并且紧密接触，通过预紧螺丝调节预紧力大小。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述压电腿底座的两端端部同时设有预紧螺丝，所述预紧螺丝的一端与位于一侧的压电腿底座相接，所述预紧螺丝的另一端与位于另一侧的压电腿底座相接。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述压电腿底座与预紧螺丝的接合处设有压簧。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的尺寸为40mm*40mm*17mm。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的倾转角为±10°。
本发明专利申请还公开了一种超高真空用精密压电陶瓷摆动台，包括摆动台基座和相对于摆动台基座往复摆动运动的摆动台台面，所述超高真空用大行程精密压电位移台还包括：
两个交叉滚珠导轨，每个交叉滚珠导轨包括第一导轨体、第二导轨体和导轨保持架，所述导轨保持架位于第一导轨体和第二导轨体之间，所述导轨保持架同时与第一导轨体和第二导轨体耦合；
两个压电腿底座，所述摆动台台面贴合有两个蓝宝石片，所述压电腿底座与任一侧的蓝宝石片之间设有至少一个压电陶瓷腿，所述压电陶瓷腿粘接于压电腿底座处，各个压电陶瓷腿的一侧与蓝宝石片相互贴合并且紧密接触，各个压电陶瓷腿的另一侧与压电腿底座相互贴合并且紧密接触，通过预紧螺丝调节预紧力大小。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台采用无磁材料制成。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案：
所述第一导轨体的内侧具有供嵌入导轨保持架的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层；
所述第二导轨体的内侧具有供嵌入导轨保持架的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述第一导轨体和第二导轨体的导槽均呈V型。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述交叉滚珠导轨的两端端部设有导轨限位螺丝。
本发明公开的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其有益效果在于，结构简单、尺寸较小、运动范围较大、漂移范围较小，在一个方向运动的同时不会在其他方向产生晃动。
附图说明
图1是本发明的一个角度的整体结构示意图。
图2是本发明的另一角度的整体结构示意图。
图3是本发明的再一角度的整体结构示意图。
图4是沿图3中AA方向的剖面结构示意图。
图5是本发明的一个角度的部分结构示意图(隐去其中一个压电腿底座)。
图6是本发明处于初始状态的状态示意图。
图7是本发明处于摆动状态的状态示意图。
附图标记包括：11-摆动台基座；12-摆动台台面；13-台面延伸部；14-蓝宝石片；15-压簧；16-导轨限位螺丝；17-预紧螺丝；20-交叉滚珠导轨；21-第一导轨体；22-第二导轨体；23-导轨保持架；30-压电腿底座；40-压电陶瓷腿。
具体实施方式
本发明公开了一种超高真空用精密压电陶瓷摆动台，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图1至图7，图1示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的前视方向的立体结构，图2示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的主视方向的投影结构，图3示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的侧视方向的投影结构，图4示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台沿图3中AA方向的等轴结构，图5示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的部分内部结构(隐去第一压电腿底座已示出压簧)，图6示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台处于初始状态时的形态，图7示出了所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台处于摆动状态时的形态。
优选实施例。
优选地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台包括摆动台基座11和相对于摆动台基座11往复摆动运动的摆动台台面12，所述摆动台台面12具有台面延伸部13，所述超高真空用大行程精密压电位移台还包括：
(相对于摆动台基座11的长度方向对称设置的)两个交叉滚珠导轨20，每个交叉滚珠导轨20包括第一导轨体21、第二导轨体22和(呈弧状的)导轨保持架23，所述导轨保持架23位于第一导轨体21和第二导轨体22之间，所述导轨保持架23同时与第一导轨体21和第二导轨体22耦合，使得第二导轨体22在受驱动时可以沿导轨保持架23相对于第一导轨体22摆动；
(相对于摆动台基座11的长度方向对称设置的)两个压电腿底座30，所述台面延伸部13位于两个压电腿底座30之间，所述台面延伸部13的两侧分别设有蓝宝石片14，所述压电腿底座30与位于同侧的蓝宝石片14之间设有至少一个(优选为3个)压电陶瓷腿40，所述压电陶瓷腿40粘接于压电腿底座30处，所述压电陶瓷腿40相对于台面延伸部13呈镜面对称状，各个压电陶瓷腿40的一侧与蓝宝石片14相互贴合并且紧密接触，各个压电陶瓷腿40的另一侧与压电腿底座30相互贴合并且紧密接触，使得驱动电源(图中未示出)控制压电陶瓷腿40的剪切运动时可带动摆动台台面12随之摆动，通过预紧螺丝17调节预紧力大小。
进一步地，所述压电腿底座30的两端端部同时设有预紧螺丝17，所述预紧螺丝17的一端与(位于该压电腿底座30的该端的)位于一侧的压电腿底座30相接，所述预紧螺丝17的另一端与(位于该压电腿底座30的该端的)位于另一侧的压电腿底座30相接，使摆动台产生预紧力，保证摆动台的摆动精度。
进一步地，所述压电腿底座30与预紧螺丝17的接合处设有压簧15，以便进一步增强通过预紧螺丝17调节压电陶瓷腿40与蓝宝石片14之间的预紧力的能力。
进一步地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的尺寸优选为40mm*40mm*17mm。
进一步地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的倾转角(摆动角)优选为±10°。
进一步地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台优选采用无磁材料制成。
进一步地，所述第一导轨体21的内侧(朝向第二导轨体22的一侧)具有供嵌入导轨保持架23的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层，以便起到自润滑作用。
进一步地，所述第二导轨体22的内侧(朝向第一导轨体21的一侧)具有供嵌入导轨保持架23的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层，以便起到自润滑作用。
其中，所述第一导轨体21和第二导轨体22的导槽(的横截面)优选均呈V型。
进一步地，所述交叉滚珠导轨20的两端端部设有导轨限位螺丝16。
第一实施例(第一实施例与优选实施例的主要区别在于，未直接公开摆动台台面12的台面延伸部13)。
优选地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台包括摆动台基座11和相对于摆动台基座11往复摆动运动的摆动台台面12，所述超高真空用大行程精密压电位移台还包括：
(相对于摆动台基座11的长度方向对称设置的)两个交叉滚珠导轨20，每个交叉滚珠导轨20包括第一导轨体21、第二导轨体22和(呈弧状的)导轨保持架23，所述导轨保持架23位于第一导轨体21和第二导轨体22之间，所述导轨保持架23同时与第一导轨体21和第二导轨体22耦合，使得第二导轨体22在受驱动时可以沿导轨保持架23相对于第一导轨体22摆动；
(相对于摆动台基座11的长度方向对称设置的)两个压电腿底座30，所述摆动台台面12贴合有两个蓝宝石片14，所述压电腿底座30与任一侧的蓝宝石片14之间设有至少一个(优选为3个)压电陶瓷腿40，所述压电陶瓷腿40粘接于压电腿底座30处，各个压电陶瓷腿40的一侧与蓝宝石片14相互贴合并且紧密接触，各个压电陶瓷腿40的另一侧与压电腿底座30相互贴合并且紧密接触，使得驱动电源(图中未示出)控制压电陶瓷腿40的剪切运动时可带动摆动台台面12随之摆动，通过预紧螺丝17调节预紧力大小。
进一步地，所述压电腿底座30的两端端部同时设有预紧螺丝17，所述预紧螺丝17的一端与(位于该压电腿底座30的该端的)位于一侧的压电腿底座30相接，所述预紧螺丝17的另一端与(位于该压电腿底座30的该端的)位于另一侧的压电腿底座30相接，使摆动台产生预紧力，保证摆动台的摆动精度。
进一步地，所述压电腿底座30与预紧螺丝17的接合处设有压簧15，以便进一步增强通过预紧螺丝17调节压电陶瓷腿40与蓝宝石片14之间的预紧力的能力。
进一步地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的尺寸优选为40mm*40mm*17mm。
进一步地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的倾转角(摆动角)优选为±10°。
进一步地，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台优选采用无磁材料制成。
进一步地，所述第一导轨体21的内侧(朝向第二导轨体22的一侧)具有供嵌入导轨保持架23的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层，以便起到自润滑作用。
进一步地，所述第二导轨体22的内侧(朝向第一导轨体21的一侧)具有供嵌入导轨保持架23的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层，以便起到自润滑作用。
其中，所述第一导轨体21和第二导轨体22的导槽(的横截面)优选均呈V型。
进一步地，所述交叉滚珠导轨20的两端端部设有导轨限位螺丝16。
根据上述实施例，本发明专利申请公开的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其中两组交叉滚珠导轨20分别固定在摆动台基座11与摆动台台面12之间，通过预紧力使两组交叉滚珠导轨20相互绞合保证摆动台在运动时的精度。摆动台基座11放置有两组压电腿底座30，压电腿底座30粘接有四组压电陶瓷腿40，通过预紧螺丝13将压电陶瓷腿40对称地对于设置于摆动台台面12的蓝宝石片14施加预紧力。摆动台在工作时通过驱动电源(图中未示出)控制压电陶瓷腿40的剪切运动，进而带动摆动台台面12摆动。
根据上述实施例，本发明专利申请公开的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，根据创新程度和紧要程度，进一步分析如下。
1.体积小，长宽的尺寸为40mm，厚度为17mm，倾转角±10°。
2.摆动台所有材质兼容超高真空环境。
3.摆动台兼容超低温(4k)环境，并耐高温烘烤。
4.两组交叉滚珠导轨之间通过预紧力固定，定位精度高，避免横向位移。
5.交叉滚珠导轨的引入稳定性高、负载能力强。
6.摆动台材料全部采用无磁材质。
7.交叉滚珠导轨的V型槽内侧镀有二硫化钼保护层，具有自润滑作用。
8.交叉滚珠导轨两侧限位螺丝起限位作用。
9.摆动台可以与一维、二维、三维位移台组合使用，构成多维移动机构。
10.摆动台台面粘有蓝宝石片，蓝宝石片与压电腿之间有预紧力，能够保证摆动台具有自锁功能。
11.摆动台可以配合碳膜电阻位移传感器进行纳米精度的定位及闭环控制。
12.预紧螺丝与压电腿底座之间放置有压簧，可以通过预紧螺丝调节压电腿与蓝宝石片之间的预紧力。
13.两组交叉滚珠导轨之间的预紧力可调。
14.压电摆动台没有安装方式的限制，可以水平安装、竖直安装、倾斜安装以及倒置安装。
15.摆动台由三组对称的压电陶瓷腿驱动，压电陶瓷腿之间串联，通过驱动电源控制协同工作。
根据上述实施例，本发明专利申请公开的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，作为优选，克服了国内基于压电陶瓷做的位移台结构复杂、尺寸比较大、运动范围小、漂移大、并且没有采用导轨导致在一个方向运动的同时会在其他方向产生晃动，很难保证纳米级的绝对运动精度的问题。并且由于采用了特殊的材质，该压电陶瓷位移台能够在超高真空环境中使用，并且耐高低温环境。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的驱动电源等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，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。
Claims (10)
1.一种超高真空用精密压电陶瓷摆动台，包括摆动台基座和相对于摆动台基座往复摆动运动的摆动台台面，所述摆动台台面具有台面延伸部，其特征在于，所述超高真空用大行程精密压电位移台还包括：
两个交叉滚珠导轨，每个交叉滚珠导轨包括第一导轨体、第二导轨体和导轨保持架，所述导轨保持架位于第一导轨体和第二导轨体之间，所述导轨保持架同时与第一导轨体和第二导轨体耦合；
两个压电腿底座，所述台面延伸部位于两个压电腿底座之间，所述台面延伸部的两侧分别设有蓝宝石片，所述压电腿底座与位于同侧的蓝宝石片之间设有至少一个压电陶瓷腿，所述压电陶瓷腿粘接于压电腿底座处，所述压电陶瓷腿相对于台面延伸部呈镜面对称状，各个压电陶瓷腿的一侧与蓝宝石片相互贴合并且紧密接触，各个压电陶瓷腿的另一侧与压电腿底座相互贴合并且紧密接触，通过预紧螺丝调节预紧力大小。
2.根据权利要求1所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，所述压电腿底座的两端端部同时设有预紧螺丝，所述预紧螺丝的一端与位于一侧的压电腿底座相接，所述预紧螺丝的另一端与位于另一侧的压电腿底座相接。
3.根据权利要求2所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，所述压电腿底座与预紧螺丝的接合处设有压簧。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的尺寸为40mm*40mm*17mm。
5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台的倾转角为±10°。
6.一种超高真空用精密压电陶瓷摆动台，包括摆动台基座和相对于摆动台基座往复摆动运动的摆动台台面，其特征在于，所述超高真空用大行程精密压电位移台还包括：
两个交叉滚珠导轨，每个交叉滚珠导轨包括第一导轨体、第二导轨体和导轨保持架，所述导轨保持架位于第一导轨体和第二导轨体之间，所述导轨保持架同时与第一导轨体和第二导轨体耦合；
两个压电腿底座，所述摆动台台面贴合有两个蓝宝石片，所述压电腿底座与任一侧的蓝宝石片之间设有至少一个压电陶瓷腿，所述压电陶瓷腿粘接于压电腿底座处，各个压电陶瓷腿的一侧与蓝宝石片相互贴合并且紧密接触，各个压电陶瓷腿的另一侧与压电腿底座相互贴合并且紧密接触，通过预紧螺丝调节预紧力大小。
7.根据权利要求6所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，所述超高真空用精密压电陶瓷摆动台采用无磁材料制成。
8.根据权利要求6所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于：
所述第一导轨体的内侧具有供嵌入导轨保持架的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层；
所述第二导轨体的内侧具有供嵌入导轨保持架的导槽，所述导槽镀有二硫化钼保护层。
9.根据权利要求8所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，所述第一导轨体和第二导轨体的导槽均呈V型。
10.根据权利要求6所述的超高真空用精密压电陶瓷摆动台，其特征在于，
所述交叉滚珠导轨的两端端部设有导轨限位螺丝。
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