CN111917328A - 一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米扫描平台技术领域，尤其涉及一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，包括平台X轴、平台Y轴、平台Z轴、X轴菱形放大机构、Y轴菱形放大机构、Z轴铰链、X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷、平台动态机构、X轴静态板、Y轴静态板、X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述平台动态机构包括中心圆环、X轴解耦铰链、Y轴解耦铰链、正方形框架、X轴挡板、Y轴挡板、X轴动态板和Y轴动态板。为了使纳米扫描平台设计尺寸缩小、使X轴和Y轴方向平动时平台动态机构不会产生旋转，本发明提供一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台。
Description
技术领域
本发明属于纳米扫描平台技术领域，尤其涉及一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台。
背景技术
工作行程小是限制压电陶瓷应用的重要因素，为了增加压电陶瓷行程，目前研究人员对位移放大机构进行了深入研究，包括复合杠杆放大机构、菱形放大机构、椭圆形放大机构、三角放大机构等多种压电微位移放大机构。压电驱动的菱形放大机构原理：菱形放大机构与压电陶瓷通过预紧力装配在一起，当压电陶瓷的长度发生变化时，菱形结构也随之发生形变。而通过数学分析可知，菱形结构短轴方向上的形变大于长轴方向上的形变，因此当把压电陶瓷放在菱形结构的长轴方向上时，短轴方向上位移输出就要大于压电陶瓷的位移输出，实现了位移的放大。压电驱动的菱形放大机构具有较大的放大比和紧凑的结构，同时侧向刚度很大，有利于放大机构和压电驱动器的保护和隔离。
目前的定位平台主要存在以下不足：
目前很多位移放大机构与压电陶瓷组合作为驱动元件工作在无负载的状态下，因此这些研究只强调了其位移放大能力及线性度等性能。而且只是总结了菱形结构在长轴与菱形边夹角的变化下呈现出的规律，并没有指出其它结构参数对其性能的影响以及针对不同微机电系统具体的设计方法，因此在实际设计的过程中，在高频状态下产生很大的附加负载，不仅要求位移放大机构有足够的行程放大能力，而且要保证足够的驱动力及较高的谐振频率。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，为了使纳米扫描平台设计尺寸缩小、使X轴和Y轴方向平动时平台动态机构不会产生旋转，本发明提供一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，包括平台X轴、平台Y轴、平台Z轴、X轴菱形放大机构、Y轴菱形放大机构、Z轴铰链、X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷、平台动态机构、X轴静态板、Y轴静态板、X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述平台X轴上安装有X轴菱形放大机构，所述X轴菱形放大机构输入端过盈连接X轴压电陶瓷，所述X轴菱形放大机构输出端连接平台动态机构的Y轴解耦铰链，所述平台Y轴上安装有Y轴菱形放大机构，所述Y轴菱形放大机构输入端过盈连接Y轴压电陶瓷，所述Y轴菱形放大机构输出端连接平台动态机构的X轴解耦铰链，所述平台Z轴连接平台动态机构的中心圆环，所述平台Z轴内部设置有Z轴压电陶瓷，所述Z轴压电陶瓷前端的平台Z轴上设置有Z轴铰链，所述Z轴压电陶瓷侧面粘贴有Z轴传感器；
所述平台动态机构包括中心圆环、X轴解耦铰链、Y轴解耦铰链、正方形框架、X轴挡板、Y轴挡板、X轴动态板和Y轴动态板，所述中心圆环上下两侧分别通过Y轴解耦铰链连接正方形框架，所述中心圆环左右两侧分别通过X轴解耦铰链连接正方形框架，所述正方形框架上侧安装有两个X轴挡板，所述两个X轴挡板中间安装有X轴动态板，所述两个X轴挡板上部滑动连接有X轴静态板，所述X轴静态板内侧安装有X轴传感器，所述正方形框架右侧安装有两个Y轴挡板，所述两个Y轴挡板中间安装有Y轴动态板，所述两个Y轴挡板上部滑动连接有Y轴静态板，所述Y轴静态板内侧安装有Y轴传感器。
进一步，所述平台动态机构的正方形框架四个直角上分别设置有导向解耦铰链。
进一步，所述X轴传感器和Y轴传感器均为电容传感器，所述Z轴传感器为应变片传感器。
进一步，所述X轴菱形放大机构两端对称设置有凸台，所述Y轴菱形放大机构两端对称设置有凸台。
进一步，所述Z轴压电陶瓷前端与平台Z轴锥面相切接触连接，所述Z轴压电陶瓷后端与预紧螺母锥面相切接触连接，所述预紧螺母通过锁紧螺母螺纹连接平台Z轴。
本发明的有益效果为：
1、在平台Z轴方向上放置X轴菱形放大机构、Y轴菱形放大机构，利用菱形放大机构较高的放大比，实现纳米扫描平台在X轴、Y轴方向上较大的行程，同时整个纳米扫描平台台体直径控制在45mm，大大缩小了纳米扫描平台的设计尺寸，解决了微纳结合的纳米扫描平台在外观上设计尺寸过大的问题。
2、正方形框架内的X轴解耦铰链和Y轴解耦铰链分别对平台动态机构在导向方向进行了X轴和Y轴方向的解耦，使实现X轴和Y轴方向平动时平台动态机构不会产生旋转，提高了测量位移行程数据的准确性。
3、X轴菱形放大机构两端凸台设计结构的作用是增强了X轴菱形放大机构与X轴压电陶瓷接触部位的刚性，X轴压电陶瓷伸长或者缩短的过程中不会因为两侧的变形损失放大比，同时不至于使X轴压电陶瓷产生切向力，减损X轴压电陶瓷的使用寿命，Y轴菱形放大机构两端凸台设计结构的作用同理。
附图说明
图1为本发明一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台的结构示意图。
图2为本发明的平台动态机构的结构示意图。
图3为本发明的Y轴菱形放大机构的结构示意图。
图中：
1、平台X轴 2、平台Y轴 3、平台Z轴
4、X轴菱形放大机构 5、Y轴菱形放大机构 6、Z轴铰链
7、X轴压电陶瓷 8、Y轴压电陶瓷 9、Z轴压电陶瓷
10、平台动态机构 11、X轴静态板 12、Y轴静态板
13、X轴传感器 14、Y轴传感器 15、Z轴传感器
16、中心圆环 17、X轴解耦铰链 18、Y轴解耦铰链
19、正方形框架 20、X轴挡板 21、Y轴挡板
22、X轴动态板 23、Y轴动态板 24、导向解耦铰链
25、凸台 26、预紧螺母 27、锁紧螺母
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图3所示，本发明提供的一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，包括平台X轴1、平台Y轴2、平台Z轴3、X轴菱形放大机构4、Y轴菱形放大机构5、Z轴铰链6、X轴压电陶瓷7、Y轴压电陶瓷8、Z轴压电陶瓷9、平台动态机构10、X轴静态板11、Y轴静态板12、X轴传感器13、Y轴传感器14和Z轴传感器15，平台X轴1上安装有X轴菱形放大机构4，X轴菱形放大机构4输入端过盈连接X轴压电陶瓷7，X轴菱形放大机构4输出端连接平台动态机构10的Y轴解耦铰链18，平台Y轴2上安装有Y轴菱形放大机构5，Y轴菱形放大机构5输入端过盈连接Y轴压电陶瓷8，Y轴菱形放大机构5输出端连接平台动态机构10的X轴解耦铰链17，平台Z轴3连接平台动态机构10的中心圆环16，平台Z轴3内部设置有Z轴压电陶瓷9，Z轴压电陶瓷9前端的平台Z轴3上设置有Z轴铰链6，Z轴压电陶瓷9侧面粘贴有Z轴传感器15。
平台动态机构10包括中心圆环16、X轴解耦铰链17、Y轴解耦铰链18、正方形框架19、X轴挡板20、Y轴挡板21、X轴动态板22和Y轴动态板23，中心圆环16上下两侧分别通过Y轴解耦铰链18连接正方形框架19，中心圆环16左右两侧分别通过X轴解耦铰链17连接正方形框架19，正方形框架19上侧安装有两个X轴挡板20，两个X轴挡板20中间安装有X轴动态板22，两个X轴挡板20上部滑动连接有X轴静态板11，X轴静态板11内侧安装有X轴传感器13，正方形框架19右侧安装有两个Y轴挡板21，两个Y轴挡板21中间安装有Y轴动态板23，两个Y轴挡板21上部滑动连接有Y轴静态板12，Y轴静态板12内侧安装有Y轴传感器14。
平台动态机构10的正方形框架19四个直角上分别设置有导向解耦铰链24。其中，正方形框架19四个直角上的导向解耦铰链24不会导致平台动态机构10倾斜使压电陶瓷产生切向力，从而损坏压电陶瓷。
X轴传感器13和Y轴传感器14均为电容传感器，Z轴传感器15为应变片传感器。电容传感器测量定位精度较高，应变片传感器空间尺寸较小且测量定位精度较高。
X轴菱形放大机构4两端对称设置有凸台25，Y轴菱形放大机构5两端对称设置有凸台25。其中，X轴菱形放大机构4两端凸台25设计结构的作用是增强了X轴菱形放大机构4与X轴压电陶瓷7接触部位的刚性，X轴伸长或者缩短的过程中不会因为两侧的变形损失放大比，同时不至于使X轴压电陶瓷7产生切向力，减损X轴压电陶瓷7的使用寿命，Y轴菱形放大机构5两端凸台25设计结构的作用同理。
Z轴压电陶瓷9前端与平台Z轴3锥面相切接触连接，Z轴压电陶瓷9后端与预紧螺母26锥面相切接触连接，预紧螺母26通过锁紧螺母27螺纹连接平台Z轴3。其中，Z轴压电陶瓷9前后端分别与平台Z轴3、预紧螺母26的锥面相切接触，可以使Z轴压电陶瓷9伸长或缩短时作用力更强且稳定性好。
实施例
本申请是在平台Z轴3方向上放置X轴菱形放大机构4、Y轴菱形放大机构5，利用平台动态机构10的X轴解耦铰链17、Y轴解耦铰链18在X轴、Y轴方向上并联解耦的纳米扫描平台，平台Z轴3上设计无放大机构的Z轴铰链6完成Z轴方向的平动。X轴、Y轴、Z轴方向上分别采用X轴压电陶瓷7、Y轴压电陶瓷8和Z轴压电陶瓷9进行驱动。
当X轴方向X轴压电陶瓷7伸长或缩短驱动X轴菱形放大机构4运动时，X轴菱形放大机构4推动平台动态机构10的正方形框架19运动，使得正方形框上侧的X轴动态板22随着两X轴挡板20运动上升或下降，且两X轴挡板20上部内侧滑动连接X轴静态板11两端，实现平台动态机构10在X轴方向平动，X轴静态板11内侧X轴传感器13检测X轴动态板22和X轴静态板11之间的间距，即检测平台动态机构10X轴方向位移，X轴传感器13连接的外部控制器可获得X轴方向位移值，实现纳米扫描平台在X轴方向的闭环控制，保证了较高的定位精度。
当Y轴方向Y轴压电陶瓷8伸长或缩短驱动Y轴菱形放大机构5运动时，Y轴菱形放大机构5推动平台动态机构10的正方形框架19运动，使得正方形框右侧的Y轴动态板23随着两Y轴挡板21运动上升或下降，且两Y轴挡板21上部内侧滑动连接Y轴静态板12两端，实现平台动态机构10在Y轴方向平动，Y轴静态板12内侧Y轴传感器14检测Y轴动态板23和Y轴静态板12之间的间距，即检测平台动态机构10Y轴方向位移，Y轴传感器14连接的外部控制器可获得Y轴方向位移值，实现纳米扫描平台在Y轴方向的闭环控制，保证了较高的定位精度。其中，当纳米扫描平台X轴1和Y轴方向平动时，X轴解耦铰链17、Y轴解耦铰链18和导向解耦铰链24的存在有效减小X轴、Y轴两方向传递的干扰。
当Z轴方向的Z轴压电陶瓷9伸长或缩短驱动Z轴铰链6运动，Z轴铰链6通过平台Z轴3经中心圆环16带动平台动态机构10运动，实现平台动态机构10在Z轴方向平动，Z轴传感器15用于检测平台动态机构10在Z轴方向位移变化，Z轴传感器15连接的外部控制器可获得Z轴方向位移值，实现纳米扫描平台在Z轴方向的闭环控制，保证了较高的定位精度。其中，X轴、Y轴和Z轴这三个轴的运动，由外部控制器分别控制X轴压电陶瓷7、Y轴压电陶瓷8和Z轴压电陶瓷9的运动来实现纳米扫描平台的运动。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，其特征在于：包括平台X轴、平台Y轴、平台Z轴、X轴菱形放大机构、Y轴菱形放大机构、Z轴铰链、X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷、Z轴压电陶瓷、平台动态机构、X轴静态板、Y轴静态板、X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器，所述平台X轴上安装有X轴菱形放大机构，所述X轴菱形放大机构输入端过盈连接X轴压电陶瓷，所述X轴菱形放大机构输出端连接平台动态机构的Y轴解耦铰链，所述平台Y轴上安装有Y轴菱形放大机构，所述Y轴菱形放大机构输入端过盈连接Y轴压电陶瓷，所述Y轴菱形放大机构输出端连接平台动态机构的X轴解耦铰链，所述平台Z轴连接平台动态机构的中心圆环，所述平台Z轴内部设置有Z轴压电陶瓷，所述Z轴压电陶瓷前端的平台Z轴上设置有Z轴铰链，所述Z轴压电陶瓷侧面粘贴有Z轴传感器；
所述平台动态机构包括中心圆环、X轴解耦铰链、Y轴解耦铰链、正方形框架、X轴挡板、Y轴挡板、X轴动态板和Y轴动态板，所述中心圆环上下两侧分别通过Y轴解耦铰链连接正方形框架，所述中心圆环左右两侧分别通过X轴解耦铰链连接正方形框架，所述正方形框架上侧安装有两个X轴挡板，所述两个X轴挡板中间安装有X轴动态板，所述两个X轴挡板上部滑动连接有X轴静态板，所述X轴静态板内侧安装有X轴传感器，所述正方形框架右侧安装有两个Y轴挡板，所述两个Y轴挡板中间安装有Y轴动态板，所述两个Y轴挡板上部滑动连接有Y轴静态板，所述Y轴静态板内侧安装有Y轴传感器。
2.根据权利要求1所述的菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，其特征在于：所述平台动态机构的正方形框架四个直角上分别设置有导向解耦铰链。
3.根据权利要求1所述的菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，其特征在于：所述X轴传感器和Y轴传感器均为电容传感器，所述Z轴传感器为应变片传感器。
4.根据权利要求1所述的菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，其特征在于：所述X轴菱形放大机构两端对称设置有凸台，所述Y轴菱形放大机构两端对称设置有凸台。
5.根据权利要求1所述的菱形微位移放大机构的纳米扫描平台，其特征在于：所述Z轴压电陶瓷前端与平台Z轴锥面相切接触连接，所述Z轴压电陶瓷后端与预紧螺母锥面相切接触连接，所述预紧螺母通过锁紧螺母螺纹连接平台Z轴。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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