CN113508235B - 压电制动装置 - Google Patents

Abstract

一种制动装置，包括：压电元件；和制动部分。所述制动部分配置成当所述压电元件处于第一状态时固定至构件，并且当所述压电元件处于第二状态时沿着所述构件为可滑动的。所述压电元件在施加电压时从一种状态改变至另一种状态。

Description

压电制动装置

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2019年2月1日的美国临时专利申请No.62/800,094的权益。美国临时专利申请No.62/800,094的公开内容和整体教导内容据此以引用方式并入。

技术领域

本公开总体上涉及一种制动装置，并且更具体地，涉及一种压电制动装置。

背景技术

在各种机械系统中(诸如具有显微镜的光学系统)，一个部件至另一部件的固定可能必须为刚性的。然而，由于许多原因，此类刚性固定无法充分实现。例如，在一些应用中，部件的位置可需要频繁地和快速地改变。在传统固定机构中，反复地固定和释放部件是不方便的，该部件在操作和设置期间需要频繁地和快速地改变其位置。

因此，存在对于机械系统的需求，使得部件可彼此更刚性地固定以及允许频繁迅速的固定-释放操作。

发明内容

本公开的一个实施例提供了一种制动装置，该制动装置包括压电元件和制动部分，该制动部分配置成当压电元件处于第一状态时固定至构件，并且当压电元件处于第二状态时释放该构件。当将电压施加至压电元件时，压电元件从第一状态改变至第二状态。

在一个实施例中，制动装置的制动部分配置成围绕构件以夹持该构件。力元件可用于提供夹持力。

在一个实施例中，制动部分包括彼此面向的两个端部，并且制动部分提供有缝隙，该缝隙位于两个端部之间，并且制动部分的两个端部之间的距离在压电元件从一种状态改变至另一种状态时改变。制动部分和构件之间的间隙为可调整的。当构件的横截面为圆形时，制动装置还固定了构件免于旋转。

在一个实施例中，制动装置可用于光学元件从光学柱的安装和释放。例如，制动装置可附接至柱保持器或光学底座，使得光学元件的位置和角度可在制动装置释放柱时进行调整并且然后在制动装置固定柱时锁定于适当位置。

在一个实施例中，制动装置可用于具有多个枢轴的万向节中，其中制动装置固定和释放多个枢轴销的一者或多者。

本公开的一个实施例提供了一种包括至少一个支柱组件的定位系统，该至少一个支柱组件包括制动装置，该制动装置包括压电元件和制动部分；该制动部分配置成当压电元件处于第一状态时固定至构件，并且当压电元件处于第二状态时释放该构件。

上述实施例的一些实例可包括：具有六个支柱组件的六角架，支柱组件包括制动装置的一者或多者，具有三个支柱组件的三脚架，支柱组件包括制动装置的一者或多者，或具有一个支柱组件的单脚架，支柱组件包括一个制动装置。

本公开的一个实施例提供了线性驱动器，该线性驱动器包括第一和第二压电制动装置；本体，该本体沿着本体的长度在两个端部处连接两个制动装置；和处理器，该处理器配置成控制第一和第二制动装置并且在第一长度和第二长度之间改变本体的长度，使得当第一制动装置固定至构件时，那么第二制动装置释放构件并且本体的长度处于第一长度，并且当第一制动装置释放构件时，那么第二制动装置固定至构件并且本体的长度处于第二长度。

附图说明

图1A示出了根据本公开的一个实施例的结构的剖视图。

图1B示出了根据本公开的一个实施例的结构的侧视图。

图2A示出了根据本公开的另一个实施例的结构的剖视图。

图2B示出了根据本公开的另一个实施例的结构的侧视图。

图3为根据一个实施例的安装于六角架上的入射角追踪显微镜的透视图。

图4为根据一个实施例的六角架的透视图。

图5示出了根据一个实施例的支柱组件。

图6和图7示出了根据本公开的另一个实施例的制动结构的视图。

具体实施方式

根据本公开的原理的例示性实施例的描述旨在结合附图来阅读，这些附图应视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的公开内容的实施例的描述中，对于方向或取向的任何引用仅旨在便于描述，并且非旨在以任何方式限制本公开的范围。相对术语，诸如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下”、“向上”等)，应理解成指代如所讨论的附图中所描述或所示的取向。这些相对术语仅便于描述，并且不需要设备以特定取向进行构造或操作，除非明确地这样指示。术语，诸如“附接”、“附连”、“连接”、“联接”、“互连”等，指代一种关系，其中结构通过居间结构直接地或间接地彼此固定或附接，以及均为可移动或刚性附接或关系，除非另行明确地描述。此外，本公开的特征和益处通过参考所举例实施例进行说明。因此，本公开不应明确地限制于此类示例性实施例，这些实施例示出了特征的一些可能非限制性组合，这些特征可单独地存在或以特征的其它组合存在；本公开的范围由本文所附的权利要求书来限定。

本公开描述了如目前所设想的实践本公开的一种或多种最佳模式。本描述非旨在以限制性意义来理解，但提供了本公开的实例，该实例通过参考附图仅出于说明目的而呈现以向本领域的技术人员建议本公开的优点和构造。在附图的各个视图中，类似附图标号命名类似或相似部件。

重要的是主要，所公开的实施例仅为本文创新教导内容的许多有利用途的实例。一般来说，在本申请的说明书中所做出的陈述非必然地限制各种所要求保护公开内容的任何内容。此外，一些陈述可适用于一些创新特征，但不适用于其它特征。一般来说，除非另行指示，单数元件可为复数，反之亦然，而不失通用性。

根据一个实施例的制动装置示出于图1A和图1B中。图1A示出了根据本公开的一个实施例的结构的剖视图。图1B示出了根据本公开的一个实施例的结构的侧视图。

图1A和图1B所示的结构100可包括构件110、支撑器120和制动装置130。构件110可包括纵向轴线OX。构件110可在纵向轴线方向Z上延伸。构件110可包括圆形横截面。构件110可由任何种类的材料来制成，诸如金属、塑料和复合材料。需注意，构件110的横截面不限于圆形，任何几何形状为可能的，只要制动装置130配置成抓持杆构件的一个或多个表面。支撑器120可在构件110的纵向轴线方向Z上可滑动地支撑杆构件120。支撑器120可围绕构件110的一部分。在一个实施例中，支撑器120可包括孔，该孔可具有圆形横截面，该圆形横截面可容纳构件110的一部分。支撑器120可由任何种类的材料来制成，诸如金属、塑料和复合材料。

制动装置130可固定至支撑器120。制动装置130可配置成使构件110制动。在一个实施例中，制动装置130可为沿着构件110可滑动的。制动装置130可由任何种类的材料来制成，诸如金属、塑料和复合材料。制动装置130可包括制动部分131、压电元件133和强制元件135。

制动部分131可配置成固定至构件110并且沿着构件110为可滑动的。制动部分131可通过将构件110夹持而固定至构件110。制动部分131可围绕构件110。在所示实例中，制动部分131可包括开口环1311，和零件1313和1315。开口环1311可围绕构件110以将构件110夹持。制动部分131的开口环1311可包括两个端部131A和131B。两个端部131A和131B可彼此面向。制动部分131可提供有缝隙131G，缝隙131G位于两个端部131A和131B之间。零件1313可在端部131A的侧部处连接至开口环1311。零件1315可在端部131B的侧部处连接至开口环1311。零件1315可与零件1313隔开。

压电元件133可接合制动部分131。在图1A和图1B所示的实例中，压电元件133可设置于制动部分131中。具体地，在图1A和图1B中，压电元件133可设置于由制动部分131的零件1313和1315所形成空间中。压电元件133可沿着垂直于构件110的纵向轴线方向Z的方向进行设置。在图1A和图1B中，压电元件133沿着其中两个端部131A和131B彼此隔开的方向进行设置。在所示实例中，压电元件133可包括线性形状。

压电元件133可处于第一状态和第二状态。当压电元件133处于第一状态时，制动部分131可固定至构件110。当压电元件133处于第二状态时，制动部分131不可固定至构件110，并且可为沿着构件110可滑动的。当制动部分131未固定至构件110时，构件110可在纵向方向Z上调整至支撑器120。当将电压施加至压电元件时，压电元件133的状态可从一种状态改变至另一种状态。例如，当将电压施加至压电元件133时，压电元件133可在压电元件133的纵向方向上扩展。在本实例中，压电元件133的第一状态可为扩展状态，并且压电元件133的第二状态可为非扩展状态。另选地，当将电压施加至压电元件133时，压电元件133可在压电元件133的纵向方向上收缩。在本实例中，压电元件133的第一状态可为收缩状态，并且压电元件133的第二状态可为非收缩状态。

在图1A和图1B所示的示例中，制动部分131的两个端部131A和131B之间的距离D1可在压电元件133扩展或收缩时改变。

如图1A和图1B所示，结构100还可包括强制元件(forcing element)135。强制元件135可向制动部分131提供力，制动部分131通过该力而将构件110夹持。强制元件135的实例包括螺钉、螺栓和螺母的组合，和弹簧。在图1A和图1B的实例中，强制元件135可将制动部分131的零件1313和1315的一者固定至制动部分131的零件1313和1315的另一者。

在另一个实施例中，如图2A和图2B所示，压电元件133可沿着垂直于其中两个端部131A和131B彼此隔开的方向的方向进行设置。在图2A和图2B的实例中，压电元件133可包括楔形顶端，并且压电元件133的楔形顶端可在压电元件133改变时推动两个端部131A和131B以使距离D1扩展。因此，制动部分131的两个端部131A和131B之间的距离D1可在压电元件133扩展或收缩时改变。

在图1A和图1B以及图2A和图2B所示的实施例中，当制动装置130的制动部分131固定至构件110时，构件110可刚性地固定至支撑器120。这可增强构件110至支撑器120的固定的可靠性。特别地，制动装置130可将构件110至制动部分130的旋转和纵向移动锁定。此外，压电元件133的第一状态和第二状态可通过切换电压至压电元件133的施加以较高速度进行切换。另外，制动装置130配置成调整制动部分131和构件110之间的公差。

根据图1A至图2B所讨论的制动装置可应用于各种系统。制动装置的一个应用实例包括用于光学元件的可调整工作台。在一个实施例中，工作台为六角架。这允许平台可绕着其旋转的虚拟枢转点。在其它实施例中，工作台可包括布置为三脚架配置的三个支柱组件以提供平台的三个运动自由度，或包括布置为单脚架配置的一个支柱组件以提供平台的一个运动自由度。在这些实施例中，制动装置的一者或多者安装至支柱组件，并且配置成使轴制动以免于延伸、回缩或旋转。

图3示出了显微镜的一个非限制性实例，该显微镜安装于可调整工作台上，使得整个显微镜的位置和取向可调整。

图4为根据一个实施例的工作台的透视图，该工作台包括布置为六角架配置的六个支柱组件。

图5示出了根据一个实施例的支柱组件。支柱组件中的轴可延伸或回缩。在一个实施例中，支柱组件包括致动器以控制轴的延伸和回缩。在另一个实施例中，在无致动器的情况下，轴自由地延伸和回缩。

图1A至图2B中的构件110可为图5中的轴510。图1A至图2B中的支撑器120可为外壳520。此外，图1A至图2B中的制动装置130可位于外壳的端部处，轴延伸或回缩通过该外壳。此外，当压电元件133处于第一状态时，弯曲组件可锁定；并且当压电元件处于第二状态时，可从轴510解锁。在另一个实例中，图1A至图2B中的构件110可为支柱组件的气缸。在一个实例中，支柱组件可包括两个制动装置130，并且两个制动装置130可交替地执行锁定和解锁功能。

在图5所示的实施例中，当压电元件133处于第一状态时，每个支柱组件可锁定；并且当压电元件133处于第二状态时，每个支柱组件可解锁以进行调整。

在本文实施例中，出于上文根据图1A至图2B所讨论的相同原因，轴510可刚性地固定至外壳520。这可增强轴510至外壳520的固定的可靠性。此外，如上文所讨论，压电元件的第一状态和第二状态可通过切换电压至压电元件的施加以较高速度进行切换。因此，轴510相对于外壳520的位置可方便地调整。

此外，制动部分可精确地磨合至轴510以在轴510和制动部分之间形成非常紧密公差，使得压电元件133可仅需扩展或收缩约10微米至20微米以锁定或解锁制动器。

另外，设备的平台可为万向平台。当万向设备的杆构件和/或枢轴销未由制动装置130夹持时，图3的设备的工作台可通过重力而处于稳定姿势。然后，杆构件和/或枢轴销可通过制动装置130来夹持。这意味着设备的工作台可如同万向设备一样移动。在此类情况下，设备的工作台可调整而无需支柱组件中的致动器，并且通过解锁制动器和将工作台调整至期望位置以及然后将工作锁定于适当位置，用户可调整工作台。

另外，在一个实施例中，多个制动装置可一起用于系统中，其中独立制动装置控制成根据可编程序列而固定或释放构件。例如，在包括第一和第二制动装置的系统中，处理器配置成控制第一和第二制动装置，使得当第一制动装置处于第一状态时，第二制动装置处于第二状态，并且当第一制动装置处于第二状态时，第二制动装置处于第一状态。在线性驱动器的应用中，第一和第二制动装置通过可扩展和收缩的杆来连接。处理器可依序控制两个制动装置和杆的状态，使得当第一制动装置固定至构件时，那么第二制动装置释放构件，并且本体的长度处于第一长度；并且当第一制动装置释放构件时，那么第二制动装置固定至构件，并且本体的长度处于第二长度。此类动作序列将引起驱动器沿着构件来行进。

可以设想的是，制动装置的一者或多者可结合或未结合多个系统的其它部件来使用，这些系统可能需要运动部件之间的严格公差，并具有快速和可控的制动动作。

图6和图7示出了根据本公开的另一个实施例的制动结构的视图。在图6和图7中，压电元件133a可沿着轴193的轴线扩展。在一个实施例中，图6和图7所示的制动结构可包括部分196和198之间的至少一个弯曲件191(例如，图6和图7中的两个弯曲件191)。在另一个实施例中，部分196和198经由铰链或等同可移动链接器具进行连接。在所示实例中，当压电元件133a扩展时，结构的部分196可经由弯曲件191相对于198移动以使轴193扭曲并结合轴193来实现制动。

虽然本公开已在一定篇幅和以相对于数个描述实施例的一些特殊性进行描述，但是据预期，本公开不应限制于任何此类细节或实施例或任何具体实施例，而是应参考附属权利要求书来理解，以提供鉴于现有技术的此类权利要求书的最广泛可能解释并且因此以有效地涵盖本公开的预期范围。

本文所叙述的所有实例和条件语言旨在出于教导目的，以帮助读者理解本公开的原理和发明人为推进本领域而提出的理念；并且应理解为不限于此类具体叙述的实例和条件。此外，本文叙述本公开的原理、方面和实施例以及其具体实例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物两者。此外，据预期，此类等同物包括当前已知等同物以及未来所开发等同物两者，即所开发的任何元件，这些元件执行相同功能而不考虑结构。

Claims (16)

1.一种制动装置(130)，包括：

压电元件(133)；和

制动部分(131)，所述制动部分(131)配置成当所述压电元件(133)处于第一状态时围绕构件(110)并固定至所述构件(110)，并且当所述压电元件(133)处于第二状态时释放所述构件(110)；

其中所述制动部分包括开口环，所述开口环在所述环上的某个位置处开口，以使得所述环的第一开口端部与所述环的第二开口端部之间形成缝隙，所述第一开口端部与所述第二开口端部彼此面向；

其中所述开口环包括从所述第一开口端部远离所述构件(110)延伸的第一零件以及从所述第二开口端部远离所述构件延伸的第二零件，并且所述压电元件(133)被置于由所述第一零件和所述第二零件形成的空间之间，使得所述第一开口端部与所述第二开口端部的端面之间的缝隙距离随着所述压电元件在所述第一状态与所述第二状态之间的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的制动装置，其中当电压施加至所述压电元件时所述压电元件从所述第一状态改变至所述第二状态。

3.根据权利要求1所述的制动装置，还包括强制元件(135)，所述强制元件(135)配置成提供夹持力。

4.根据权利要求1所述的制动装置，其中所述制动部分和所述构件之间的间隙为可调整的。

5.根据权利要求1所述的制动装置，其中所述构件的横截面形状为圆形，并且所述制动装置还配置成当所述压电元件处于所述第一状态时防止所述构件旋转。

6.一种包括根据权利要求1所述的制动装置的可调整光学底座，所述光学底座配置成沿着柱的长度移动或绕着所述柱的轴线旋转，使得所述光学底座的位置或方向的调整可在所述制动装置释放所述柱时来进行，并且然后所述光学底座可在所述制动装置固定至所述柱时锁定于适当位置。

7.一种万向节，所述万向节包括多个枢轴和根据权利要求1所述的制动装置的一者或多者，所述制动装置配置成固定和释放所述多个枢轴的一个或多个销。

8.一种定位系统，所述定位系统包括至少一个支柱组件，所述至少一个支柱组件包括根据权利要求1所述的制动装置，其中所述至少一个支柱组件的轴可以延伸或回缩。

9.根据权利要求8所述的定位系统，还包括底板和平台，其中所述至少一个支柱组件的每一者的第一端部连接于所述底板的顶部表面上的预定位置，并且所述至少一个支柱组件的每一者的第二端部连接于所述平台的底部表面上的对应预定位置。

10.根据权利要求8所述的定位系统，其中所述至少一个支柱组件包括：

线性致动器，所述线性致动器配置成沿着所述支柱组件的长度改变所述支柱组件的所述两个端部之间的距离；

所述至少一个支柱组件在所述压电元件处于所述第一状态时锁定于适当位置，并且在所述压电元件处于所述第二状态时从所述轴解锁。

11.根据权利要求9所述的定位系统，其中所述至少一个支柱组件包括六个支柱组件，所述六个支柱组件布置为六脚架配置以提供所述平台的六个移动自由度。

12.根据权利要求8所述的定位系统，其中所述至少一个支柱组件包括：布置为三脚架配置的三个支柱组件。

13.根据权利要求8所述的定位系统，其中所述至少一个支柱组件包括布置为单脚架配置的一个支柱组件。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个支柱组件包括气缸，并且所述气缸包括所述制动装置的所述构件。

15.一种系统，所述系统包括根据权利要求1所述的第一和第二制动装置以及处理器，所述处理器配置成控制所述第一和第二制动装置，使得当所述第一制动装置处于所述第一状态时，所述第二制动装置处于所述第二状态；并且当所述第一制动装置处于所述第二状态时，所述第二制动装置处于所述第一状态。

16.一种线性驱动器，所述线性驱动器包括根据权利要求15所述的系统，其中所述第一和第二制动装置通过杆来连接，所述杆与所述第一和第二制动装置的状态变化同步地扩展和收缩。