CN110501811A - 一种压电驱动三维微定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电驱动三维微定位平台，包括旋转框架结构、延长杆、位移放大装置、压电叠堆、表面受力板和底板；所述旋转框架结构的一端与表面受力板连接，另一端与位移放大装置连接；所述位移放大装置安装在底板上；所述压电叠堆与位移放大装置连接；所述延长杆位于旋转框架结构内，延长杆的一端与位移放大装置连接，另一端与表面受力板连接。通过压电叠堆驱动，对旋转框架结构施加作用力，旋转框架结构受力产生扭曲变形，实现定位平台的旋转运动。本发明通过控制压电叠堆的输出位移大小，进而实现定位平台的法向位移大小和水平面转动角度大小的精准控制。

Description

一种压电驱动三维微定位平台

技术领域

本发明属于显微装置技术领域，具体涉及一种压电驱动三维微定位平台。

背景技术

压电材料因具有输出稳定、抗电磁干扰、响应速度快等优点，被广泛运用。其中压电叠堆虽输出位移小，但配合位移放大器使用，能确保提供稳定的位移输出。

目前大多的定位工作台多以X轴和Y轴方向的直线移动为主，精度低，生产成本高，多适合大行程。在微位移平台方面，平台的直线运动往往不能和旋转运动相配合，平台的旋转，还需借助额外施加的作用力，不利于定位平台的结构化和功能集成。

在生物学和医学中，观察和操控微生物需要显微装置，而显微装置则需载物的定位平台配合运动以达到精确定位。在对微生物进行观察、操控时，随着定位平台的运动难以获得最佳的观察和操控效果。现有平台多以齿轮配合，齿轮之间的间隙和摩擦不利于结果的精确性。同时，现有平台多为直线运动为主，精准的旋转运动较少。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种压电驱动三维微定位平台，通过压电叠堆驱动，对旋转框架结构施加作用力，旋转框架结构四个面上的镂空椭圆形结构四个伸脚受力不均，产生位移变化，导致旋转框架结构产生扭曲变形，进而实现定位平台的旋转运动，并通过控制压电叠堆的输出位移大小，进而实现定位平台的法向位移大小和水平面转动角度大小的精准控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电驱动三维微定位平台，包括旋转框架结构、延长杆、位移放大装置、压电叠堆、表面受力板和底板；

所述旋转框架结构的一端与表面受力板连接，另一端与位移放大装置连接；所述位移放大装置安装在底板上；所述压电叠堆与位移放大装置连接；所述延长杆位于旋转框架结构内，延长杆的一端与位移放大装置连接，另一端与表面受力板连接。

上述方案中，所述旋转框架结构包括若干叠加的旋转框架体；

每个所述旋转框架体均包括五个镂空椭圆形结构；每个所述镂空椭圆形结构分别包括镂空的椭圆形和四个伸脚；所述四个伸脚的一端分别与镂空的椭圆形相切；四个镂空椭圆形结构两两相互垂直围成一个空腔，相邻镂空椭圆形结构的四个伸脚互相连接，所述空腔的底部连接剩下的一个镂空椭圆形结构。

进一步的，所述伸脚的倾斜角度α为45°。

进一步的，顺时针转动所述旋转框架体时，每个镂空椭圆形结构的椭圆形倾斜方向相同。

上述方案中，所述位移放大装置包括外壳和多级传动杠杆组；

所述多级传动杠杆组安装在外壳内；所述压电叠堆的动力输出端与连接杠杆的一端连接，连接杠杆的另一端与多级传动杠杆组的一端连接，多级传动杠杆组的另一端与延长杆的一端连接。

上述方案中，所述多级传动杠杆组包括多根传动杠杆；多根传动杠杆形成环形杠杆组结构，实现位移的放大。

进一步的，所述多级传动杠杆组包括第一传动杠杆、第二传动杠杆、第三传动杠杆、第四传动杠杆和第五传动杠杆；

所述外壳为四方体；所述连接杠杆的另一端置于第一传动杠杆的下方，形成第一传动杠杆的支点；第一传动杠杆的一端与所述外壳铰链，第一传动杠杆的另一端置于第二传动杠杆的下方，形成第二传动杠杆的支点；第二传动杠杆一端与外壳铰链，第二传动杠杆另一端置于第三传动杠杆的下方，形成第三传动杠杆的支点；第三传动杠杆一端与外壳铰链，第三传动杠杆另一端置于第四传动杠杆的下方，形成第四传动杠杆的支点；第四传动杠杆的一端与外壳铰链，第四传动杠杆的另一端置于第五传动杠杆的下方，形成第五传动杠杆的支点；第五传动杠杆一端与外壳铰链，第五传动杠杆另一端置于所述延长杆的下方，并与延长杆连接。

上述方案中，所述延长杆的一端与位移放大装置采用环氧树脂粘接，另一端与表面受力板采用环氧树脂粘接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过压电叠堆驱动，对旋转框架结构施加作用力，旋转框架结构四个面上的镂空椭圆形结构四个伸脚受力不均，产生位移变化，导致旋转框架结构产生扭曲变形，进而实现定位平台的旋转运动，并通过控制压电叠堆的输出位移大小，进而实现定位平台的法向位移大小和水平面转动角度大小的精准控制。本发明以旋转框架结构代替传统微定位平台中的柔顺结构，能提供更大的旋转范围和位移变化。本发明所述定位平台结构简单，便于携带，集成度高，易于加工，无需额外附加驱动。本发明所述定位平台体积小，可与显微镜配合使用，可直接放置于显微镜载物台，用于细胞操控和观察。本发明所述定位平台既能实现法向直线位移的变化，也能实现平台水平面上的旋转运动。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一实施方式的整体结构示意图；

图2为本发明一实施方式的位移放大装置结构示意图；

图3为本发明一实施方式的位移放大装置内部多级杠杆组结构示意图；

图4为本发明一实施方式的旋转框架结构示意图；

图5为本发明一实施方式的旋转框架体结构示意图；

图6为本发明一实施方式的镂空椭圆形结构示意图；

图7为本发明一实施方式的镂空椭圆形结构受力示意图；

图8为本发明一实施方式的单层旋转框架结构的受力变化示意图。

图中，1.旋转框架结构；2.延长杆；3.位移放大装置；4.压电叠堆；5.表面受力板；6.底板；7.连接杠杆；8.第一传动杠杆；9.第二传动杠杆；10.第三传动杠杆；11.第四传动杠杆；12.第五传动杠杆；13.外壳；14.旋转框架体；15.镂空椭圆形结构；16.伸脚。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

图1所示为本发明所述压电驱动三维微定位平台的一种较佳实施方式，所述压电驱动三维微定位平台包括旋转框架结构1、延长杆2、位移放大装置3、压电叠堆4、表面受力板5和底板6；所述旋转框架结构1的一端与表面受力板5连接，另一端与位移放大装置3连接；所述位移放大装置3安装在底板6上；所述压电叠堆4与位移放大装置3连接；所述延长杆2位于旋转框架结构1内，延长杆2的一端与位移放大装置3连接，另一端与表面受力板5连接。

如图2和3所示，根据本实施例，优选的，所述位移放大装置3包括外壳13和多级传动杠杆组；能够实现位移的传递和放大。所述多级传动杠杆组安装在外壳13内；所述压电叠堆4作为驱动源，提供输出位移，并将压电叠堆4的动力输出端金属顶帽与连接杠杆7的表面固定贴合；连接杠杆7中部设有支点，使得连接杠杆7一端翘起顶住压电叠堆4，连接杠杆7的另一端与多级传动杠杆组的一端连接，多级传动杠杆组的另一端与延长杆2的一端连接。将连接杠杆7、位移放大装置3和压电叠堆4相结合，能实现对压电叠堆位移的放大。所述位移放大装置3同时承担位移输送和旋转框架结构1底座支撑的功能。

根据本实施例，优选的，所述多级传动杠杆组包括第一传动杠杆8、第二传动杠杆9、第三传动杠杆10、第四传动杠杆11和第五传动杠杆12；所述外壳13为四方体；所述连接杠杆7的另一端置于第一传动杠杆8的下方，形成第一传动杠杆8的支点；第一传动杠杆8的一端与所述外壳13内壁铰链，第一传动杠杆8的另一端置于第二传动杠杆9的下方，形成第二传动杠杆9的支点；第二传动杠杆9一端与外壳13内壁铰链，第二传动杠杆9另一端置于第三传动杠杆10的下方，形成第三传动杠杆10的支点；第三传动杠杆10一端与外壳13内壁铰链，第三传动杠杆10另一端置于第四传动杠杆11的下方，形成第四传动杠杆11的支点；第四传动杠杆11的一端与外壳13内壁铰链，第四传动杠杆11的另一端置于第五传动杠杆12的下方，形成第五传动杠杆12的支点；第五传动杠杆12一端与外壳13内壁铰链，第五传动杠杆12另一端置于所述延长杆2的下方，并与延长杆2连接。以第五传动杠杆12的运动带动延长杆2的上下运动；延长杆2的另一端与表面受力板5表面粘接，同时旋转框架结构1下端与外壳13上表面粘接，上端与表面受力板5表面粘接；并且保证旋转框架结构1与表面受力板5和外壳13装配时，对延长杆2、多级杠杆组、连接杠杆7和压电叠堆4之间施加预紧力，保证各部件之间的连接紧密，无间隙，便于微位移的传递。如图2所示，多级传动杠杆组的每级传动杠杆采用柔性铰链固定于装置外壳13的内部四个角，形成环形杠杆组结构实现位移放大，减小平台的空间占有体积。多级传动杠杆组内位移的传递，是由前一级传动杠杆置于后一级传动杠杆下方，作为后一级传动杠杆的支点。

根据本实施例，优选的，所述延长杆2的一端与位移放大装置3采用环氧树脂粘接，另一端与表面受力板5采用环氧树脂粘接，降低装配难度。

对压电叠堆4施加电信号激励，压电叠堆4产生位移变化，通过连接杠杆、位移放大装置3和延长杆2进行位移放大和传递。同时，延长杆2将位移传递给表面受力板5，并对旋转框架结构1施加作用力，旋转框架结构1受力发生旋转运动。本发明利用压电叠堆4驱动实现对定位平台旋转角度的控制。结合压电叠堆的性能，该定位平台输出稳定，线性度好，抗电磁干扰，且结构简单，体积小，功能集成，定位精准。

本发明的工作原理：

对所述压电叠堆4施加电信号，压电陶瓷产生逆压电效应，压电叠堆4产生微位移变化，并将位移传递给连接杠杆7；由于杠杆原理，连接杠杆7将抬起第一传动杠杆8，第一传动杠杆8抬起第二传动杠杆9，第二传动杠杆9抬起第三传动杠杆10，第三传动杠杆10抬起第四传动杠杆11，第四传动杠杆11抬起第五传动杠杆12；第五传动杠杆12抬起延长杆2，进而实现位移的放大，并将放大后的位移传递给延长杆2；由于延长杆2和表面受力板5粘接固定贴合，延长杆2受到位移变化，进而带动表面受力板5的上下运动；由于表面受力板5与旋转框架结构1粘接，旋转框架结构(1)与外壳13上表面粘接，表面受力板5的上下运动对旋转框架结构1施加作用力；旋转框架结构1四个面的镂空椭圆形结构15四个角受力不均，产生偏移现象，导致旋转框架结构1会产生水平旋转运动；由于固定贴合的影响，旋转框架结构1的旋转运动会反馈给表面受力板5，实现表面受力板5的旋转运动。

如图4、5和6所示，根据本实施例，优选的，所述旋转框架结构1包括若干叠加的旋转框架体14如图4所示；每个所述旋转框架体14均包括五个镂空椭圆形结构15如图5所示；每个所述镂空椭圆形结构15分别包括镂空的椭圆形和四个伸脚16如图6所示；所述四个伸脚16的一端分别与镂空的椭圆形相切；四个镂空椭圆形结构15两两相互垂直围成一个空腔，相邻镂空椭圆形结构15的四个伸脚16互相连接，所述空腔的底部连接剩下的一个镂空椭圆形结构15。顺时针转动所述旋转框架体14时，每个镂空椭圆形结构15的椭圆形倾斜方向相同。如图6所示，所述伸脚16的倾斜角度α为45°。

如图6所示，镂空椭圆形结构15可看成长度为w的正方形平面结构，其中变量a表示内部镂空椭圆形短轴，b表示内部镂空椭圆形长轴，内部椭圆形的结构将增大伸脚16受力时的位移变化，增大旋转框架的转动角度。四个伸脚16是由正方形四个顶点向镂空椭圆形做切线得出，变量l表示四个伸脚16的长度，变量h表示伸脚16正方形截面的宽度。伸脚16的长度和宽度大小可依据实际旋转框架结构的数量和尺寸需求控制。由于镂空椭圆形结构15可以看成是正方形平面结构，在装配时每个镂空椭圆形结构15互相垂直，且保持顺时针转动旋转框架结构1时，每个面上的椭圆形倾斜方向相同，相邻面之间的伸脚16与伸脚16互相连接，进而组成旋转框架结构1。如图4所示，在多层旋转框架结构中，上一层旋转框架体14的下底面作为下一层旋转框架体14的上底面，且保持上、下两层旋转框架体14的每个面上的椭圆形倾斜方向一致。图7中，a黑色实线为未受力时的镂空椭圆形结构15，虚线为受到力的作用时的镂空椭圆形结构15。当受到力的作用，四个延伸脚16会受到沿着伸脚的力，并沿着镂空椭圆形进行力的传递，镂空椭圆形发生形变，导致四个伸脚16位置的变化。

图8所示为单层旋转框架结构1受力旋转效果图。黑色线框为未受力前，旋转框架结构1的位置，灰色实体为受力之后，旋转框架结构1的位置。由于旋转框架结构1的相邻表面上的镂空椭圆形结构15的四个伸脚16都互相连接在一起，当受到力的作用，旋转框架结构1的每个面上的四个伸脚16位置发生变化，且变化方向相同。从旋转框架结构1的整体来看，旋转框架结构1发生了扭曲旋转。

通过三维建模软件生成旋转框架结构1的模型，并实现模型加工。该定位平台利用压电叠堆4驱动，性能稳定，结构简单，定位平台集成度高，无需外加驱动，易于安装，且尺寸小，便于携带，可置于显微镜上，与显微镜配合进行细胞操作和观察。并且根据实际的需求不同，可自行选择单层旋转框架结构或多层旋转框架结构。以3D打印技术加工了尺寸为50×50×148mm的三层旋转框架结构1，通过实验测试得出，旋转框架结构1受到15N的力，产生最大旋转角度6°，法向位移变化1.2mm。试验测试证实了该旋转框架结构1能够通过改变受力大小，控制旋转框架结构1的法向位移变化和旋转角度的变化，进而证实旋转定位平台设计的可行性。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电驱动三维微定位平台，其特征在于，包括旋转框架结构(1)、延长杆(2)、位移放大装置(3)、压电叠堆(4)、表面受力板(5)和底板(6)；

所述旋转框架结构(1)的一端与表面受力板(5)连接，另一端与位移放大装置(3)连接；所述位移放大装置(3)安装在底板(6)上；所述压电叠堆(4)与位移放大装置(3)连接；所述延长杆(2)位于旋转框架结构(1)内，延长杆(2)的一端与位移放大装置(3)连接，另一端与表面受力板(5)连接。

2.根据权利要求1所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，所述旋转框架结构(1)包括若干叠加的旋转框架体(14)；

每个所述旋转框架体(14)均包括五个镂空椭圆形结构(15)；每个所述镂空椭圆形结构(15)分别包括镂空的椭圆形和四个伸脚(16)；所述四个伸脚(16)的一端分别与镂空的椭圆形相切；四个镂空椭圆形结构(15)两两相互垂直围成一个空腔，相邻镂空椭圆形结构(15)的四个伸脚(16)互相连接，所述空腔的底部连接剩下的一个镂空椭圆形结构(15)。

3.根据权利要求2所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，所述伸脚(16)的倾斜角度α为45°。

4.根据权利要求2所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，顺时针转动所述旋转框架体(14)时，每个镂空椭圆形结构(15)的椭圆形倾斜方向相同。

5.根据权利要求1所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，所述位移放大装置(3)包括外壳(13)和多级传动杠杆组；

所述多级传动杠杆组安装在外壳(13)内；所述压电叠堆(4)的动力输出端与连接杠杆(7)的一端连接，连接杠杆(7)的另一端与多级传动杠杆组的一端连接，多级传动杠杆组的另一端与延长杆(2)的一端连接。

6.根据权利要求5所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，所述多级传动杠杆组包括多根传动杠杆；多根传动杠杆形成环形杠杆组结构，实现位移的放大。

7.根据权利要求6所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，所述多级传动杠杆组包括第一传动杠杆(8)、第二传动杠杆(9)、第三传动杠杆(10)、第四传动杠杆(11)和第五传动杠杆(12)；

所述外壳(13)为四方体；所述连接杠杆(7)的另一端置于第一传动杠杆(8)的下方，形成第一传动杠杆(8)的支点；第一传动杠杆(8)的一端与所述外壳(13)铰链，第一传动杠杆(8)的另一端置于第二传动杠杆(9)的下方，形成第二传动杠杆(9)的支点；第二传动杠杆(9)一端与外壳(13)铰链，第二传动杠杆(9)另一端置于第三传动杠杆(10)的下方，形成第三传动杠杆(10)的支点；第三传动杠杆(10)一端与外壳(13)铰链，第三传动杠杆(10)另一端置于第四传动杠杆(11)的下方，形成第四传动杠杆(11)的支点；第四传动杠杆(11)的一端与外壳(13)铰链，第四传动杠杆(11)的另一端置于第五传动杠杆(12)的下方，形成第五传动杠杆(12)的支点；第五传动杠杆(12)一端与外壳(13)铰链，第五传动杠杆(12)另一端置于所述延长杆(2)的下方，并与延长杆(2)连接。

8.根据权利要求1所述的压电驱动三维微定位平台，其特征在于，所述延长杆(2)的一端与位移放大装置(3)采用环氧树脂粘接，另一端与表面受力板(5)采用环氧树脂粘接。