CN116505793A - 一种一维大行程压电驱动纳米定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种一维大行程压电驱动纳米定位平台，包括外框架，外框架中由内侧向外侧设置多级运动平台；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在Y方向上通过沿Y方向布置关于X轴对称的两组柔性导向连接组件相连接，各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在X方向上通过两组簧片连接，每组簧片包括两个关于X对称布置的簧片；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间分别设置压电驱动器，各个压电驱动器都沿X方向布置且设置在同侧，各个压电驱动器都与外控制器进行连接。本发明可不依赖复杂柔性导向放大机构等机械结构提供一维大行程的致动，解决了一维直驱纳米定位平台在X方向小体积空间内不能输出大行程位移的问题。
Description
技术领域
本发明属于纳米定位平台技术领域，涉及一种一维大行程压电驱动纳米定位平台。
背景技术
随着纳米定位技术的迅猛发展，纳米级运动平台因高精度、高分辨率、高可靠性等多种优势而得到了广泛的应用。在精密机械工程中，如光刻机、纳米扫描台、微纳运动台中均使用不同种类的纳米运动平台。然而，纳米定位平台也存在最大输出行程短、结构复杂等问题，不能满足精密运动设备市场和应用的需求，因此需要对其结构设计、致动方式做出可靠改进。
目前，现有一维纳米定位平台，要想实现大行程的输出位移，需要出力大、输出位移大的压电驱动器。所压电驱动器本身的长度会占据平台中更长的空间，导致纳米定位平台的尺寸变大。因此，设计一种能够具有在X方向小体积空间内输出大行程位移的纳米定位装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种一维大行程压电驱动纳米定位平台，该平台在一维压电驱动器的驱动下，可以实现小体积空间内输出大行程位移。
本发明提供一种一维大行程压电驱动纳米定位平台，包括外框架，所述外框架中由内侧向外侧设置多级运动平台；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在Y方向上通过沿Y方向布置关于X轴对称的两组柔性导向连接组件相连接，各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在X方向上通过两组簧片连接，每组簧片包括两个关于X对称布置的簧片；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间分别设置压电驱动器，各个压电驱动器都沿X方向布置且设置在同侧，各个压电驱动器都与外控制器进行连接。
进一步的，所述压电驱动器由至少一个d33的压电陶瓷单片组合叠堆而成。
进一步的，包括三级运动平台，最内侧的为一级运动平台，一级运动平台外侧为二级运动平台，二级运动平台外侧为三级运动平台，三级运动平台外侧为外框架。
进一步的，所述一级运动平台与二级运动平台之间在Y方向上通过两组第一柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第一组簧片和第二组簧片进行连接；所述二级运动平台与三级运动平台之间在Y方向上通过两组第二柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第三组簧片和第四组簧片进行连接；所述三级运动平台与外框架之间在Y方向上通过两组第三柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第五组簧片和第六组簧片进行连接。
进一步的，所述第一柔性导向连接组件由三个沿Y方向并列设置的第一连接板构成，所述第二柔性导向连接组件由四个沿Y方向并列设置的第二连接板构成，所述第三柔性导向连接组件由四个沿Y方向并列设置的第三连接板构成。
进一步的，所述一级运动平台与二级运动平台间设有一个沿X方向布置的第一压电驱动器；所述二级运动平台与三级运动平台间设有两个沿X方向布置且关于X轴对称的第二压电驱动器；所述三级运动平台与外框架间设有两个沿X方向布置且关于X轴对称的第三压电驱动器。
进一步的，各级运动平台所输出的位移行程相叠加作为所述一维大行程压电驱动纳米定位平台输出的总行程。
进一步的，所述外框架的四角分别设置安装定位孔。
本发明的一种一维大行程压电驱动纳米定位平台，至少具有以下
有益效果：
本发明中的各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间采用柔性导向连接组件和簧片作为连接导向装置，无机械传动装置，可实现无间隙运动，整体结构简单且紧凑。采用压电驱动器驱动各级运动平台，可以达到纳米/亚纳米驱动位移分辨率。本发明采用多级运动平台组合串联的驱动方式，各级运动平台所输出的位移行程相叠加作为所述一维大行程压电驱动纳米定位平台输出的总行程，实现X方向更小的体积空间内实现大范围的运动。
附图说明
图1是本发明的一种一维大行程压电驱动纳米定位平台的立体图；
图2是本发明的一种一维大行程压电驱动纳米定位平台的平面图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种一维大行程压电驱动纳米定位平台，采用电火花线切割加工成一体结构。包括外框架400，所述外框架400中由内侧向外侧设置多级运动平台。各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在Y方向上通过沿Y方向布置关于X轴对称的两组柔性导向连接组件相连接，各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在X方向上通过两组簧片连接，每组簧片包括两个关于X对称布置的簧片；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间分别设置压电驱动器，各个压电驱动器都沿X方向布置且设置在同侧，各个压电驱动器都与外部控制器进行连接。所述外框架400的四角分别设置安装定位孔。
具体实施时，所述压电驱动器为一维压电驱动器，由至少一个d33的压电陶瓷单片组合叠堆而成，每个叠堆理论致动行程等于所有单片致动行程总和。d33为压电陶瓷的压电常数，用于描述压电陶瓷对压电的响应能力。其中d为压电常数标识，第一个数字代表施加电场方向，第二个数字代表应变或应力方向。
在外部控制器输出的外加电压控制下，压电驱动器会产生伸缩驱动力，簧片为压电驱动器提供预紧力。压电驱动器伸长时，作用力给到运动平台，克服柔性导向连接组件和簧片的阻力，驱动相应的运动平台沿X轴的正方向运动，同时簧片被压缩。当压电驱动器缩短时，簧片对相应的运动平台提供恢复力，驱动运动平台沿X轴向反方向运动。由于压电驱动器的位移具有纳米/亚纳米分辨率，柔性导向连接组件和簧片使得运动平台能够产生一维的纳米级的正向位移和反向位移。且各级运动平台所输出的位移行程相叠加作为所述一维大行程压电驱动纳米定位平台输出的总行程，进而实现输出大行程位移。
具体实施时，一维大行程压电驱动纳米定位平台至少包括三级运动平台。如图1和2所示，本实施例中包括三级运动平台，最内侧的为一级运动平台110，一级运动平台110外侧为二级运动平台210，二级运动平台210外侧为三级运动平台310，三级运动平台310外侧为外框架400。
所述一级运动平台110与二级运动平台210之间在Y方向上通过两组第一柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第一组簧片114和第二组簧片115进行连接。所述二级运动平台210与三级运动平台310之间在Y方向上通过两组第二柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第三组簧片214和第四组簧片215进行连接。所述三级运动平台310与外框架400之间在Y方向上通过两组第三柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第五组簧片314和第六组簧片315进行连接。所述第一柔性导向连接组件由三个沿Y方向并列设置的第一连接板113构成，所述第二柔性导向连接组件由四个沿Y方向并列设置的第二连接板213构成，所述第三柔性导向连接组件由四个沿Y方向并列设置的第三连接板313构成。第一连接板113、第二连接板213和第三连接板313在工作中可有微小变形。
所述一级运动平台110与二级运动平台210间设有一个沿X方向布置的第一压电驱动器111；所述二级运动平台210与三级运动平台310间设有两个沿X方向布置且关于X轴对称的第二压电驱动器211；所述三级运动平台310与外框架400间设有两个沿X方向布置且关于X轴对称的第三压电驱动器311。
所述一级运动平台110的一侧与二级运动平台210间设有一个凹槽，凹槽的两端设有凸台600，第一压电驱动器111的两端支撑在相应的凸台600上；所述二级运动平台210的一侧与三级运动平台310间设有两个凹槽，凹槽的两端设有凸台，第二压电驱动器211的两端支撑在相应的凸台上；所述三级运动平台310的一侧与外框架400间设有两个凹槽，凹槽的两端设有凸台，第三压电驱动器311的两端支撑在相应的凸台上。第一压电驱动器111、第二压电驱动器211和第三压电驱动器311都为一维压电驱动器，其运动时无耦合。
本发明的工作原理：本发明采用分级驱动的方式，首先由第一压电驱动器111驱动一级运动平台110运动，其次由两个第二压电驱动器211驱动二级运动平台210运动，最后由两个第三压电驱动器311驱动三级运动平台310运动。具体执行如下：
如图1所示，控制器的驱动电压施加于第一压电驱动器111，产生预定方向的运动位移，在驱动电压增加时，第一压电驱动器111伸长，克服第一柔性导向连接组件以及第一组簧片114和第二组簧片115的阻力，使得一级运动平台110产生正向的位移输出。在驱动电压减小时，第一压电驱动器111收缩，一级运动平台110在第一柔性导向连接组件以及第一组簧片114和第二组簧片115的作用下，跟随第一压电驱动器111反向运动，使一级运动平台110产生反向位移。通过控制第一压电驱动器111的伸长缩短运动，可以实现一级运动平台1的纳米级一维非耦合运动。
控制器的驱动电压施加于两个第二压电驱动器211产生预定方向的运动位移，在驱动电压增加时，第二压电驱动器211伸长，克服第二柔性导向连接组件以及第三组簧片214和第四组簧片215的阻力，使得二级运动平台210产生正向的位移输出。在驱动电压减小时，第二压电驱动器211收缩，二级运动平台210在第二柔性导向连接组件以及第三组簧片214和第四组簧片215的作用下，跟随第二压电驱动器211反向运动，使二级运动平台210产生反向位移。通过控制第二压电驱动器211伸长缩短运动，可以实现二级运动平台210的纳米级一维非耦合运动。
控制器的驱动电压施加于第三压电驱动器311产生预定方向的运动位移，在驱动电压增加时，第三压电驱动器311伸长，克服第三柔性导向连接组件以及第五组簧片314和第六组簧片315的阻力，使得三级运动平台310产生正向的位移输出。在驱动电压减小时，压第三电驱动器311收缩，三级运动平台310在第三柔性导向连接组件以及第五组簧片314和第六组簧片315的作用下，跟随第三压电驱动器311反向运动，使三级运动平台310产生反向位移。通过控制第三压电驱动器311的伸长缩短运动，可以实现三级运动平台310的纳米级一维非耦合运动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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之内。
Claims (8)
1.一种一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，包括外框架，所述外框架中由内侧向外侧设置多级运动平台；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在Y方向上通过沿Y方向布置关于X轴对称的两组柔性导向连接组件相连接，各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间在X方向上通过两组簧片连接，每组簧片包括两个关于X对称布置的簧片；各级运动平台间以及最外侧运动平台与外框架间分别设置压电驱动器，各个压电驱动器都沿X方向布置且设置在同侧，各个压电驱动器都与外控制器进行连接。
2.如权利要求1所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，所述压电驱动器由至少一个d33的压电陶瓷单片组合叠堆而成。
3.如权利要求1所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，包括三级运动平台，最内侧的为一级运动平台，一级运动平台外侧为二级运动平台，二级运动平台外侧为三级运动平台，三级运动平台外侧为外框架。
4.如权利要求3所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，所述一级运动平台与二级运动平台之间在Y方向上通过两组第一柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第一组簧片和第二组簧片进行连接；
所述二级运动平台与三级运动平台之间在Y方向上通过两组第二柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第三组簧片和第四组簧片进行连接；
所述三级运动平台与外框架之间在Y方向上通过两组第三柔性导向连接组件连接，在X方向上通过第五组簧片和第六组簧片进行连接。
5.如权利要求4所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，所述第一柔性导向连接组件由三个沿Y方向并列设置的第一连接板构成，所述第二柔性导向连接组件由四个沿Y方向并列设置的第二连接板构成，所述第三柔性导向连接组件由四个沿Y方向并列设置的第三连接板构成。
6.如权利要求3所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，所述一级运动平台与二级运动平台间设有一个沿X方向布置的第一压电驱动器；所述二级运动平台与三级运动平台间设有两个沿X方向布置且关于X轴对称的第二压电驱动器；所述三级运动平台与外框架间设有两个沿X方向布置且关于X轴对称的第三压电驱动器。
7.如权利要求1所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，各级运动平台所输出的位移行程相叠加作为所述一维大行程压电驱动纳米定位平台输出的总行程。
8.如权利要求1所述的一维大行程压电驱动纳米定位平台，其特征在于，所述外框架的四角分别设置安装定位孔。
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