CN112859535A - 一种桥式差动柔性位移缩小机构 - Google Patents

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Abstract

一种桥式差动柔性位移缩小机构，包括固定半桥柔性模块、活动半桥柔性模块、刚性连接块和驱动器；固定半桥柔性模块和活动半桥柔性模块均设置在两个刚性连接块之间，形成环形框架，驱动器设置在环形框架内的两个刚性连接块之间；固定半桥柔性模块和活动半桥柔性模块的弯曲方向相同；本发明利用两个半桥柔性模块的组合实现位移的差动叠加，可以得到大的位移缩小比，从而大幅提升运动的分辨率和精度；桥式差动柔性位移缩小机构可以与宏动平台配合，实现大范围、超高精度的运动定位。

Description

一种桥式差动柔性位移缩小机构
技术领域
本发明属于精密驱动与传动领域，特别涉及一种桥式差动柔性位移缩小机构。
背景技术
纳米定位技术是实现纳米操控和纳米测量的基础。一般采用压电叠堆驱动器直接驱动定位，或者在压电叠堆驱动器的基础上利用位移放大机构(如桥式或杠杆式)将位进一步放大，这类定位方式通常只能达到几十纳米甚至几百纳米的运动精度。
随着科学技术的发展，半导体技术、航天科技、光学与光电子工程、生物工程等领域对定位精度提出了越来越高的要求。以光刻机为例，超高定位精度的工件台是光刻机核心部件之一，它的运动精度直接影响了光刻出来的硅片质量，在高速运动下需达到2纳米的运动精度，才能满足最新一代芯片的制程工艺需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥式差动柔性位移缩小机构，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种桥式差动柔性位移缩小机构，包括固定半桥柔性模块、活动半桥柔性模块、刚性连接块和驱动器；固定半桥柔性模块和活动半桥柔性模块均设置在两个刚性连接块之间，形成环形框架，驱动器设置在环形框架内的两个刚性连接块之间；固定半桥柔性模块和活动半桥柔性模块的弯曲方向相同；
固定半桥柔性模块和活动半桥柔性模块结构相同，均包括中间块和柔性支链，一个或多个柔性支链分别设置在中间块的两侧，中间块两侧的柔性支链个数相同或不同。
进一步的，柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链。
进一步的，集中柔度式支链两端部均两侧对称开设有槽口，槽口内侧形成柔性铰链。
进一步的，分布柔度式支链为一整段柔性梁；柔性梁为长梁或簧片。
进一步的，固定半桥柔性模块与活动半桥柔性模块同向布置，记θ1和θ2分别为沿逆时针方向水平线到固定半桥柔性模块中单侧支链和活动半桥柔性模块中单侧支链的角度，θ1和θ2应同时在0～90°范围内，或者同时在90°～180°范围内。
进一步的，固定半桥柔性模块的中间块与机架相连，活动半桥柔性模块的中间块为整个机构的输出端。
进一步的，驱动器两端与两刚性连接块固定连接，驱动器提供直线式输入使两刚性连接块背离或趋近运动。
进一步的，驱动器为压电叠堆驱动器、磁致伸缩驱动器或直线音圈电机。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用两个半桥柔性模块的组合实现位移的差动叠加，可以得到大的位移缩小比，从而大幅提升运动的分辨率和精度；
桥式差动柔性位移缩小机构可以与宏动平台配合，实现大范围、超高精度的运动定位。
本发明本体结构可以整体加工，结构简单，无需装配。
附图说明
图1为本发明集中柔度式结构示意图；
图2为本发明集中柔度式运动示意图；
图3为本发明混合式结构示意图；
图4为本发明分布柔度式结构示意图；
图5为本发明恰约束集中柔度结构示意图；
图6为本发明过约束集中柔度结构示意图；
图7为本发明恰约束分布柔度结构示意图；
图8为本发明过约束分布柔度结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图8，一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，包括固定半桥柔性模块1、活动半桥柔性模块2、刚性连接块3和驱动器4；固定半桥柔性模块1和活动半桥柔性模块2均设置在两个刚性连接块3之间，形成环形框架，驱动器4设置在环形框架内的两个刚性连接块3之间；固定半桥柔性模块1和活动半桥柔性模块2的弯曲方向相同；
固定半桥柔性模块1和活动半桥柔性模块2结构相同，均包括中间块5和柔性支链6，一个或多个柔性支链6分别设置在中间块5的两侧，中间块5两侧的柔性支链6个数相同或不同。
桥式差动柔性位移缩小机构，包括固定半桥柔性模块、活动半桥柔性模块，刚性连接块、压电驱动器。
两个半桥柔性模块同向布置，以产生差动运动。
两个半桥柔性模块可以为集中柔度式也可以为分布柔度式(对于集中柔度式结构，通过两个槽口柔性铰链分别连向固定台和连接块)。
固定半桥柔性模块中间部分固定，两端与刚性连接块相连接。
压电驱动器两端固定在刚性连接块上，向刚性连接块输入横向位移。
进一步的，刚性连接块的另一端与活动半桥柔性模块的两端相连。
活动半桥柔性模块的中间块作为输出端向外输出缩小后的位移。
本发明的工作原理为：如图2所示，首先给安装与桥式机构内部的驱动器4预加电压，驱动器在X方向产生输入位移Δx，输入位移通过刚性连接块3传递给固定半桥柔性模块1和活动半桥柔性模块2，该位移被固定半桥柔性模块1转换后沿Y方向输出，被活动半桥柔性模块2转换后沿Y的反方向输出，这两个输出位移叠加获得了一个小的输出位移，实现了对输入位移的缩小。其他差动位移缩小机构(如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示)工作原理同图1的集中柔度式差动位移缩小机构。
通过直线驱动器(如压电叠堆驱动器)为刚性连接块提供一个横向的位移Δx推动固定半桥柔性模块1和活动半桥柔性模块2。
对于固定半桥柔性模块，在驱动器输入2Δx的水平位移时，两侧刚体块不但水平方向产生位移Δx，还在竖直方向产生一个向下的位移Δy1，Δy1≈Δx/tan(θ1)。
对于活动半桥柔性模块，两侧刚体块的横向位移Δx使机构输出端相对于两侧刚体块沿竖直方向产生一个纵向位移Δy2，Δy2≈Δx/tan(θ2)。
整个机构的输出端是活动半桥柔性模块的中间块，中间块相对于基座的输出位移是Δy＝Δy2-Δy1，也就是说，利用上下两个半桥柔性模块的位移相互抵消，可以实现对驱动器输入位移的大比例缩小。通过改变两个半桥柔性模块的设计参数，可以获得任意比例的位移缩小(例如，在极端的情况下，当两个桥式柔性模块设计参数完全相同，整个机构输出位移为0，意味着无穷大的缩小比)。
两个集中柔度式(槽口柔性铰链)的半桥柔性模块可以全部或部分替换为分布柔度式(长梁或簧片)半桥模块。
实施例：
在图1的实施例中，为了使结构更加紧凑和简单，也为了减轻结构重量，在所述的两个半桥柔性模块中的中间块两端各连接了一个集中柔度式的柔性支链。工作过程中，通过改变压电叠堆驱动器4上的电压，使压电驱动器4产生X向位移，当电压增大时，压电叠堆驱动器4产生X向伸长运动，当电压减小时，压电叠堆驱动器4产生X向收缩运动。X向位移带动与压电叠堆驱动器相连的两个刚性连接块3产生X向位移，该X向位移又带动与刚性连接块连接的固定半桥柔性放大模块1和活动半桥柔性放大模块2中的槽口柔性铰链产生形变，使两个半桥柔性模块产生了相反的Y向位移，这两个相反的Y向位移相互叠加抵消后在活动半桥柔性模块的中间块5上输出一个很小的Y向位移。
综上所述，本发明的桥式差动位移缩小机构可实现大缩小比、高精度的位移传动。
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，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，包括固定半桥柔性模块(1)、活动半桥柔性模块(2)、刚性连接块(3)和驱动器(4)；固定半桥柔性模块(1)和活动半桥柔性模块(2)均设置在两个刚性连接块(3)之间，形成环形框架，驱动器(4)设置在环形框架内的两个刚性连接块(3)之间；固定半桥柔性模块(1)和活动半桥柔性模块(2)的弯曲方向相同；
固定半桥柔性模块(1)和活动半桥柔性模块(2)结构相同，均包括中间块(5)和柔性支链(6)，一个或多个柔性支链(6)分别设置在中间块(5)的两侧，中间块(5)两侧的柔性支链(6)个数相同或不同。
2.根据权利要求1所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，柔性支链(6)为集中柔度式支链或分布柔度式支链。
3.根据权利要求2所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，集中柔度式支链两端部均两侧对称开设有槽口，槽口内侧形成柔性铰链。
4.根据权利要求2所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，分布柔度式支链为一整段柔性梁；柔性梁为长梁或簧片。
5.根据权利要求1所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，固定半桥柔性模块(1)与活动半桥柔性模块(2)同向布置，记θ1和θ2分别为沿逆时针方向水平线到同一侧中固定半桥柔性模块(1)的支链(6)和活动半桥柔性模块(2)的支链(6)的角度，θ1和θ2应同时在0～90°范围内，或者同时在90°～180°范围内。
6.根据权利要求1所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，固定半桥柔性模块(1)的中间块与机架相连，活动半桥柔性模块(2)的中间块为整个机构的输出端。
7.根据权利要求1所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，驱动器(4)两端与两刚性连接块固定连接，驱动器(4)提供直线式输入使两刚性连接块背离或趋近运动。
8.根据权利要求1所述的一种桥式差动柔性位移缩小机构，其特征在于，驱动器(4)为压电叠堆驱动器、磁致伸缩驱动器或直线音圈电机。
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