CN1934723A - 定位器装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种定位器(2)，用于将样品平台(6)相对于底座(4)移动。定位器由布置成沿驱动轴线膨胀和收缩的压电元件驱动，压电元件具有与底座相连的输入端和与第一输出杠杆(14)和第二输出杠杆(16)相连的输出端，该第一输出杠杆(14)和第二输出杠杆(16)从压电元件的驱动轴线沿相反的方向延伸；每个输出杠杆具有内臂和外臂，内臂布置成当压电元件膨胀时受到压电元件作用，样品平台通过样品平台支撑件(26，28)安装在外臂上；输出杠杆如此安装，即，压电元件作用在输出杠杆的内臂上，以使外臂在包含样品平台的平面内移动。输出杠杆的这种运动通过平台支撑件与样品平台相通，从而使样品平台沿着平行于驱动轴线的方向相对于底座移动。

Description

定位器装置
技术领域
本发明涉及被广泛用于各种用途的定位器，这些用途包括在生产线和科学试验中定位光学元件。
背景技术
被设计用来提供高准确度的定位的定位器的一个缺点在于它们通常只能在相对有限的范围内操作。例如，多种定位器设计在其驱动机构中采用压电驱动元件。压电驱动元件是有用的，因为它们相对耐用并且能提供可重复的高准确度的定位。然而，38mm长的压电堆可能仅有42μm的定位范围。该有限的范围意味着采用压电驱动元件的定位器对于许多用途都不能实行。其它类型的高准确度的驱动机构也有类似问题。
US3902084[1]和US3902085[2]描述了“尺蠖式定位器”，其解决了该问题。这些定位器为单轴线定位器，其布置成在压电驱动元件周期性地膨胀和收缩时选择性地夹紧和释放压电驱动元件的相对端。对压电驱动元件和任一端处的压电夹的适当控制可使压电驱动元件在连续的膨胀和收缩周期期间在压电夹之间向前慢慢移动。尽管这种类型的定位器允许较大范围的运动，但它们设计复杂，需要多个活动部件，这些部件必须以精心配合的方式分别控制。
另一个方法是使用这样一种定位器，该定位器包括彼此摩擦接合的两个元件，当它们之间的摩擦力被克服了时，它们彼此相对滑动。运动通过两个元件之一的惯性和两个元件之间的摩擦接合的滑动或维持之间的相互作用产生。这种定位器被称为惯性定位器或滑动-固着式定位器，并且可从Dieter Pohl在期刊“Review of ScientificInstruments”[3]发表的一篇文章中获知。惯性滑动-固着式定位器可以利用相对较少的主要部件制成。然而，不像上述的尺蠖式定位器，已知的惯性滑动-固着式定位器具有低负载承受能力并对取向高度敏感。
另一可选方案使用杠杆装置来放大或增强运动。JP02 119277[4]描述了一种用于压电驱动元件的机械放大器，尽管它主要用于点阵打印头。JP02119277的装置采用安装在压电堆的相对端处的一对铰接杠杆，使得当杠杆的内臂通过压电元件的膨胀而被推动分开时，杠杆的外臂被带到一起。当杠杆臂被带到一起时，带扣弹簧(buckle spring)向外连接在杠杆外臂和带扣之间。带扣弹簧的向外运动提供了该装置的有用输出。EP0510698[5]采用了与JP02119277类似的原理，但具有串连地连接在杠杆之间的两个带扣弹簧。这样提供了两个同步的位移输出。这种类型的装置通常不适用于可靠地定位样品平台。这是因为它们的弹性本质使得它们容易振动，并且对于不同的平台负载，它们的扣住运动通常不同。这意味着：对于压电驱动元件的相同膨胀，具有不同质量的样品通常会被不同地定位。
发明内容
根据本发明的第一方面提供了一种定位器，其包括：底座和可相对于底座移动的样品平台；驱动机构，其被布置为在底座和样品平台之间动作；多个彼此远离地延伸的杠杆，所述杠杆支撑样品平台并与驱动机构相连，使得在所述杠杆的力学效益下传递驱动机构的致动，以定位样品平台。
杠杆的使用允许驱动机构的运动例如压电元件的扩张或收缩在传递到样品平台之前被放大。另外，通过将样品平台安装在多个彼此远离地延伸的杠杆上，可实现稳定的安装，例如当样品偏离中心地定位时其抵抗由样品平台上的样品的重量施加的扭力。另外，多个杠杆的使用允许与各个杠杆中的每一个相关的弓形运动组合在一起，从而提供样品平台的线性运动。
在整个下文中，杠杆有时被称为输出杠杆。该术语反映出它们支撑样品平台，其可被认为是定位器的输出级。
每个杠杆都可以可转动地安装在支点上，该支点将杠杆再分成内臂和外臂，内臂与驱动机构相连，外臂支撑样品平台。
这样使得杠杆和驱动机构的构造简单。然而，可以理解的是，其它结构也是可以的。例如，样品平台和驱动结构可以都连接到输出臂上，它们连接的相对位置确定了力学效益。
驱动机构被布置成沿着相同方向作用在每个杠杆上，使得当驱动机构被致动时，它们以类似方式移向彼此。
所述多个杠杆可以包括沿着相反方向延伸的两个杠杆。
所述杠杆可通过挠曲节点彼此相连。例如，挠曲节点可以是连接在杠杆之间的片簧，或者杠杆可由单个横向构件形成。挠曲节点由横向构件的变细部分提供。
以这样的方式连接杠杆在每个杠杆绕其支点(有时称为可挠曲支点)枢转离开其静止位置时提供恢复力。该恢复力提供了用于样品平台的支撑力。通过由单个横向构件形成杠杆可提供具有少量部件的结构坚固且容易装配的构造。
支撑壁可用于在杠杆的支点处枢转地支撑杠杆，杠杆通过可挠曲连接部分连接到支撑壁上，可挠曲连接部分提供了允许它们枢转的支点。另外，每个杠杆及其支撑壁可以是整体结构，且可挠曲连接部分由杠杆和支撑壁之间的连接部分的变细部分提供。
这种类型的可挠曲支点在每个杠杆枢转时提供了另外的恢复力，从而增加了用于样品平台的支撑力。整体结构在结构上牢固且容易装配，并且具有较少数量的部件。
提供可挠曲支撑支点的支撑壁可被构造成独立地挠曲。例如，压电转换器可被粘在一个支撑壁的表面上，该压电转换器可被驱动膨胀，从而使得支撑壁挠曲。使一个或其它(或两个)支撑壁挠曲减小了它们相对于彼此的有效长度。这可以在不同杠杆的支点之间产生相对运动。因为样品平台与每个杠杆相连，支点之间的这种相对运动导致样品平台相对于底座的转动，从而允许倾斜地定位。
样品平台可借助于一对输出连接件安装在杠杆上，该输出连接件相对于平行于其长度方向的轴线施加的力是刚性的。这样允许运动从杠杆可靠地传递到样品平台。
输出连接件相对于横过其长度方向的轴线施加的力是可变形的。这样有助于定位器接纳杠杆的弓形运动的横向分量，并且由此提供样品平台的线性运动。在另一些情况下，可以在输出连接件和杠杆和/或样品平台之间设置弹性安装件以接纳这些横向运动分量。
可挠曲输出连接件允许定位器将样品平台平行于驱动轴线可靠地定位，即使样品平台相对于底座沿着横过驱动轴线的方向移动或偏置，横向运动也会被输出连接件的挠曲接纳。这样允许多个定位器在多轴线定位器中平行地连接。例如，两个或三个正交安装的定位器可以连接在共同的底座和共同的样品平台之间，以提供两轴线或三轴线定位器。
输出连接件基本上平行于驱动轴线延伸，驱动机构沿着该驱动轴线供给致动力。
输出连接件延伸远离驱动机构或其主要部分所在的同一侧上的杠杆。
输出连接件的这种“对折”(double back)允许在小的空间中使用较长的输出连接件。长输出连接件的使用改善了其挠曲性。另外，长的输出连接件在多轴线定位器中为与杠杆的弓形运动或样品平台相对于底座的横向运动相关的横向运动提供了相对较大的曲率半径。大曲率半径用来减少定位器的运动的横向和纵向分量之间的耦合。
定位器还包括偏压元件，例如弹簧如螺旋弹簧，该偏压元件与每个杠杆相连，并被布置成抵抗杠杆相对于底座的运动。当杠杆被驱动机构移动时，偏压作用提供用于杠杆的附加恢复力。这进一步增加了定位器能够可靠地支撑和定位的负载。
定位器还包括止挡机构，其与每个杠杆相连，以限制杠杆相对于底座可移动的量。这样有助于防止定位器损坏，例如被超载和驱动机构的过量驱动所损坏。
通常，杠杆的几何形状以及样品平台和驱动机构与杠杆相连的位置可以这样确定，即，样品平台的移动量比驱动机构移动量要大。也就是说，杠杆作用的力学效益或力学放大倍数大于一。但是，在一些例子中，也可以是这样的布置，即，样品平台的移动量小于驱动机构的移动量。换言之，杠杆作用的力学效应或力学放大倍数小于一。这样的布置有效地减小了压电元件的膨胀或收缩。这样使样品被以比驱动机构的精度更准确地定位。
定位器可包括用于测量杠杆位置的一个或多个应变计。有多个位置可以安装应变计。例如，应变计可耦接到驱动机构的多个部分上。例如，它们可以粘在形成驱动机构的一部分的压电元件的侧面上。这样允许测量驱动机构的运动，由此计算出杠杆的位置。从杠杆的位置可确定样品平台相对于底座的位置。应变计输出信号也可用在反馈控制回路中，以改善定位稳定性，也就是说，提供编码器设备。
一个或多个应变计可耦接到相应的电桥测量电路上。例如，惠斯通电桥测量电路，其安装在定位器本身上。这样有助于减小由电桥电路的不同元件之间的温差造成的影响。在一些实施例中，应变计可用在电桥电路的每个臂上，以提供增强的敏感性。
定位器还包括另外的多个杠杆，其彼此远离地延伸，该另外的杠杆与底座和驱动机构相连，使得驱动机构的致动传递到该另外的杠杆上，以使它们相对于底座移动。
另外的杠杆中的每一个可转动地安装在支点上，由此将杠杆再分成内臂和外臂，内臂与驱动机构相连，外臂与底座相连。
另外的杠杆可被如此布置，使得驱动机构沿着相同方向作用在另外的杠杆中的每一个上。该方向可以是不同于驱动机构作用在第一次提及的杠杆或输出杠杆的方向。
在下文中，另外的杠杆有时被称为输入杠杆。该术语反映出它们与底座相连，其被视为定位器的输入级。
输入杠杆通常与输出杠杆镜像对称，从而提供高度对称的定位器。可以理解，输入杠杆的设计和结构可包括多个特征，这些特征对应于对输出杠杆的所述那些特征。
一对输入连接件可用于将底座和输入杠杆相连，该输入连接件相对于平行其长度方向的轴线施加的力是刚性的，而相对于横过其长度方向的轴线施加的力是可变形的。输入连接件又可以对折，即，延伸远离驱动机构所在的同一侧上的输入杠杆，以允许长的连接件用在小的空间中。
通过提供诸如此类的高度对称的设计，驱动机构的运动可通过输入杠杆和输出杠杆的组合运动传递到样品平台。这意味着输出杠杆的枢转量大约为如果没有输入杠杆来接纳驱动机构的一部分运动时它们要枢转的量的一半。这样减小了与杠杆的弓形运动相关的残余效应。
高度对称的设计额外地减小了定位器的不同的组成部件的数量。从而能更简单地制造。
根据本发明的第二方面提供了多轴线定位器，其包括根据本发明第一方面的第一定位器和根据本发明第一方面的第二定位器，第一定位器沿着第一方向对齐，第二定位器沿着第二不同方向对齐，第一和第二定位器连接在共同的底座和共同的样品平台之间。
多轴线定位器还包括根据本发明第一方面的第三定位器，第三定位器沿着第三方向对齐，第三方向与第一和第二方向不同，第三定位器连接在共同的底座和共同的样品平台之间。
这样，可以提供具有平行机构的多轴线定位器，该定位器具有多达六个自由度。在不需要六个自由度的情况下，提供较少的自由度。例如，第三定位器不提供样品平台的转动，从而提供五轴线定位器。
附图说明
为了更好地理解本发明并且示出如何实施本发明，通过示例的方式参考附图进行说明，附图中：
图1示意性地示出根据本发明第一实施例的单轴线定位器的主视图；
图2示意性地示出图1所示的定位器的俯视图；
图3示意性地示出图1所示的定位器的侧视图；
图4示意性地示出图1所示的定位器的透视图；
图5示意性地示出图1所示的定位器的可挠曲连接件；
图6示意性地示出根据本发明第二实施例的三轴线定位器的透视图；
图7示意性地示出用于图6所示的定位器的底座和样品平台的分解透视图。
具体实施方式
图1、2、3和4分别示意性地示出了根据本发明第一实施例的定位器2的主视图、俯视图、侧视图和透视图。参照三维笛卡尔坐标系统说明定位器2，术语例如上和下参考图1所示的取向。然而，可以理解，定位器同样也可以以其它取向的方式使用。图1的主视图沿y-轴线方向得到，图2的俯视图沿z-轴线方向得到，图3的侧视图沿x-轴线方向得到。每个图中的图例表示该图的笛卡尔平面。
定位器2为用于将样品平台6(或输出级)相对于底座4(或输入级)沿着z-轴线移动的单轴线定位器(样品平台6在图2或4中未示出，并且底座4在图4中也未示出)。本示例中的定位器具有这样的特征尺寸，即，在x-轴线和Z-轴线上约为55mm，在y-轴线上约为15mm。然而，应该注意的是，该设计本身是比例可变的，如果需要，这些尺寸可以更小或更大。实际上，该设计可用于微机电系统(MEMS)或用于半导体材料中利用蚀刻技术实施的纳米技术环境。定位器包括：不锈钢制成的主体构件21；压电元件8；用于使主体21和底座4相连的一对输入可挠曲连接件22、24；用于使主体21和样品平台6相连的一对输出可挠曲连接件26、28；负载弹簧38、40；以及用于负载弹簧的安装套管42、44、46、48。压电元件8被示意性地示出为堆状，但是可以理解，也可以使用管状或其它形式的压电元件。还可以使用其它类型的致动件，例如传动螺杆。
在该示例中，主体21为整体结构，并包括其上连接有输入可挠曲连接件22、24的输入横向构件7和其上连接有输出可挠曲连接件26、28的输出横向构件9。输入和输出横向构件7和9被第一和第二支撑壁18、20彼此分开。输入横向构件7在其上表面上具有平行于y-轴线延伸的切口。这样提供了允许输入横向构件在其中心处挠曲的输入挠曲节点23。输出横向构件9在其下表面上具有类似的切口。该切口提供了允许输出横向构件在其中心处挠曲的输出挠曲节点19。在第一和第二支撑壁18、20的相应端部与输入和输出横向构件7、9之间的连接部包括沿着y-方向延伸的主体21的变细部分，以提供用作杠杆支点的相应的可挠曲支点11、13、15和17。
在横向构件7、9中的挠曲节点23、19和可挠曲支点11、13、15和17的组合提供了四个杠杆10、12、14和16。输入横向构件7被其挠曲节点23分成第一输入杠杆10和第二输入杠杆12，其中可挠曲支点11、13分别为每个输入杠杆提供支点。输出横向构件9被其挠曲节点19分成第一输出杠杆14和第二输出杠杆16，其中可挠曲支点15、17分别为每个输出杠杆提供支点。由此，在压电元件8一侧上的输入和输出杠杆形成第一对相对的输入和输出杠杆10、14，而在压电元件8另一侧上的输入和输出杠杆形成第二对相对的输入和输出杠杆12、16。每个杠杆10、12、14和16被各自的可挠曲支点11、13、15和17再分成内臂和外臂。杠杆的内臂为从可挠曲支点朝向挠曲节点向内延伸的那些部分，外臂为杠杆的从挠曲节点向外延伸的那些部分。
压电元件8在输入和输出横向构件7和9之间延伸，并且定位在支撑壁18和20之间。压电元件被布置成当被适当的驱动信号驱动时沿着z-轴线膨胀和收缩。压电元件具有与输入横向构件7邻近的输入端和与输出横向构件9邻近的输出端。在压电元件8的端部和横向构件7和9之间的交界部分如此布置，即，可使横向构件以不损坏压电元件的方式在其挠曲节点处挠曲。例如，这可以通过采用具有与横向构件的挠曲节点对齐的有限的接触区域的支承垫来实现。压电元件8的尺寸略长于压电元件将要放入其中的间隙。通过首先将相对的输入和输出杠杆对的外臂强压在一起而将压电元件插入尺寸稍小的间隙中。这使得杠杆10、12、14和16绕着各自的可挠曲支点11、13、15和17枢转，使得其中要安装压电元件的间隙增大，从而可将压电元件插入。一旦压电元件就位，就去掉施加在杠杆的外臂上的力，使得主体趋于重新回到其未受压的状态。然而，通过压电元件的附加长度可以防止其完全回到未受压状态。这样确保了压电元件保持在压缩状态下。众所周知，压电元件的这种预加应力改善了其操作特性。
应变计被粘在压电元件的每一侧上。从图1中可看到三个应变计29a、29b和29c。每个应变计被构造成测量压电元件8的膨胀或收缩程度，可以理解的是，也可使用其它应变计构造来测量压电元件8的膨胀或收缩。例如，可以只使用一个应变计。然而，多个应变计可提供改善的灵敏度。
图5为用于连接输入横向构件7和底座4的输入可挠曲连接件之一22的示意性剖视图。其它的可挠曲连接件24、26和28的结构与如图5所示的可挠曲连接件22相同，只是被不同地安装在定位器2中。连接件对于沿其长度方向的轴线施加的力是刚性的，而对于横向施加的力是可挠曲的。可以理解的是，在本发明的某些单轴线实施例中，可挠曲连接件22、24、26和28也可以用对于横向施加的力不可变形的刚性连接件代替。然而，从下面可看出，在图5中所示类型的可挠曲连接件考虑到这样的定位器，该定位器能够容易地集成到多轴线定位器中。可挠曲连接件22包含刚性中心体58，且安装销60通过可挠曲部分62与刚性中心体58的一端相连。类似的可挠曲部分64从中心体的另一端延伸但自由地终止。中心体和安装销由3mm直径的不锈钢杆制成。可挠曲部分由1mm直径的琴用钢丝制成。安装销约5mm长，中心体约25mm长。琴用钢丝被接收在中心体和安装销内的孔中，使得在中心体和安装销之间露出约10mm，在另一侧露出约15mm。可挠曲连接件22具有约55mm的总体长度。因为琴用钢丝的部分相对较短，所以可挠曲连接件具有相对较高的纵向刚度，而在横向上可自由挠曲。这类连接件在EP0937961[6]中有进一步描述。
从图4中可看出，输入可挠曲连接件22被安装在定位器2中，使得自由端的可挠曲部分64固定地连接在输入杠杆10的外臂的边缘附近。然后连接件基本上平行于z-轴线地朝向输出杠杆14延伸，中心体58被布置在相对的杠杆臂10、14之间。安装销连接到其上的可挠曲部分62穿过输出杠杆14中的橡胶衬套34。橡胶衬套34允许输入可挠曲连接件22沿着平行于其长度方向的轴线自由地滑动，但不能横过该轴线滑动。橡胶衬套提供了一定的阻尼，这样有助于减小定位器中的振动噪声。当定位器2处于如图4所示的取向时，安装销60被定位在输出杠杆14下方。如上所述，在图4中没有示出底座4。然而，如图1所看出的，安装销60被接收在底座的开口中，在那里，安装销例如通过粘合或使用平头螺钉固定在适当位置。
另一可挠曲输入连接件24以类似方式安装，即，连接在输入杠杆12和输出杠杆14之间并穿过橡胶衬套36。可挠曲连接件24的安装销被类似地安装在底座4上。因此，定位器2通过两个输入连接件相对于底座4支撑。因为输入连接件为纵向刚性，输入杠杆外臂的与输入可挠曲连接件相连的部分相对于底座沿z-方向是固定的。然而，由于其相对于横向力的挠曲性，输入杠杆外臂的与输入可挠曲连接件相连的部分可沿x-方向和y-方向移动。可以理解的是，该移动分别在xz-平面和yz-平面上是弓形的，但是为了便于说明，它们将通过其最大分量的方向描述。
输出可挠曲连接件26和28以与输入可挠曲连接件22和24总体类似的方式安装，但它们不是连接底座和输入杠杆，而是连接输出杠杆和样品平台。也就是说，输出可挠曲连接件的自由端可挠曲部分被固定地连接在输出杠杆14和16中相应的一个的外臂的边缘附近。连接件然后基本上平行于z-轴线向着输入杠杆10和12延伸。对于图4所示的取向，输出可挠曲连接件的安装销被定位在输入杠杆10和12上方。在图4中没有示出样品平台6。然而，如图1所看到的，输出可挠曲连接件的安装销被接收在样品平台的开口中，在那里它们被固定在适当位置。
因此，样品平台6由将样品平台与主体21相连的输出可挠曲连接件沿着z-轴线相对于底座支撑，主体21又由将主体与底座相连的输入可挠曲连接件支撑。样品平台沿着x-方向和y-方向自由移动。如果这不是所需要的，可以使用支持导轨或其它支撑件。
对于处于如图1-4所示取向的定位器而言，样品平台上的样品的重量施加了负载力，该负载力从样品平台6沿输出可挠曲连接件26、28传递，以便向下作用在输出杠杆14、16的外臂上。支撑样品重量的反作用力从底座4沿着输入可挠曲连接件22、24传递，以便向上作用在输入杠杆10、12的外臂上。这样的净效果是：相对的输入和输出杠杆对被推开。该运动被挠曲节点17、19的弹性、可挠曲支点11、13、15、17的弹性和抵抗压电元件8的压缩的抵抗力所抵抗。为了增加定位器可以支撑的有用负载但又不损坏挠曲节点、可挠曲支点或压电元件8并且为了提供抵抗位移的正向力，可以使用负载弹簧38、40。这些弹簧连接在每对相对的输入和输出杠杆的外臂之间以通过有效地增加主体21的刚性来提供用于样品平台的附加支撑。一个负载弹簧38安装在分别与一对相对的输入和输出杠杆10、14相连的一对套管42、44上。另一个负载弹簧40被安装在与另一对相对的输入和输出杠杆12、16相连的一对类似套管46、48上。套管由螺钉固定件固定在适当位置，在图2和图4中可看到其中两个螺钉固定件50、52。
与相对的杠杆对相连的各对套管的尺寸被做成使得在它们之间，它们延伸跨过输入和输出杠杆臂之间的间隙的大部分。但是，套管对并不汇合。在定位器的自然或静止状态下(即，在压电元件上没有施加驱动信号)，套管被分开一定距离，该距离为在正常使用定位器2期间它们的期望行程范围的1.5倍。这使得定位器可自由地覆盖其行程范围，防止明显地超出该范围的企图，明显地超出该范围会使套管汇合。因此，套管起机械止挡件或抵接件的作用。其它的止挡结构也是可以的，尽管将止挡件与套管结合很方便。不同于50％的安全余量当然也是可以的。
通过驱动压电元件8膨胀或收缩可使安装在样品平台6上的样品沿着z方向移动到所需位置。在其自然状态(即，没有施加驱动信号)下，定位器将样品支撑在沿着z-方向的位置z0处，该位置被称为自然位置或静止位置。如图1的图例所示，z坐标向上增加。为了将样品从其自然位置向上移动(即，增加z)，向压电元件施加来自控制器(未示出)的驱动信号，使得压电元件被驱动膨胀Δzpz的量。压电元件的膨胀作用在输入和输出杠杆的内臂上，使得相对的输入和输出杠杆对的外臂随着这些杠杆绕着它们各自的可挠曲支点枢转而被带到一起。由于输入和输出可挠曲连接件的布置，使得样品平台6以及支撑在其上的样品远离底座4地向上移动。
尽管各个杠杆臂的运动在包含压电元件的z-轴线的平面中是弓形的，但是输入和输出杠杆臂的对称运动使可挠曲连接件略微倾斜地移动。因此，当样品平台升高时，除了沿着z-方向相对于彼此移动之外，输入和输出可挠曲连接件也朝向压电元件向内移动很小的量。因为定位器关于穿过压电元件的中心的yz-平面对称，所以位于压电元件一侧上的可挠曲连接件向内移动一定量，该移动量等于另一侧上的可挠曲连接件的移动量，并与之相反。由此，相对于底座，没有净的横向运动传递到样品平台。可挠曲连接件的小的横向运动由其可挠曲部分接纳。因此，样品平台的运动基本上不受与上面支撑有样品平台的杠杆的外臂的弓形运动相关的水平运动分量的影响。因此，样品平台沿着基本上平行于z-轴线的方向移动。样品平台6的移动量由压电元件的膨胀量和杠杆的力学效益确定。对于图1-5示出的示例性定位器，杠杆内臂的有效长度(即，在其可挠曲支点和压电元件8作用杠杆上的位置之间的距离)为杠杆外臂的有效长度(即，它们的可挠曲支点与可挠曲连接件之间的距离)的三分之一。这意味着当压电元件膨胀Δzpz的量时，样品平台被升高的量Δzsp＝3Δzpz。因此，由定位器提供的总体运动范围为压电元件8自身的运动范围的三倍。由于定位器的对称性，该放大倍数得以实现，同时维持样品平台平行于压电元件的驱动轴线的大体线性运动。可以理解，通过改变杠杆的内臂和外臂的有效长度的比率能够实现其它的放大倍数。甚至可以提供小于一的力学效应。尽管这样减小定位器的总体运动范围，但它有效地减缓了压电元件的膨胀或收缩。这样可以有助于减小样品平台的定位过程中与驱动机构中的噪声相关的颤动。例如，由于施加在压电元件上的驱动信号中的电子噪声而产生的颤动。
通过进一步使压电元件膨胀可使样品进一步沿着z-方向移动或者通过使压电元件收缩可使样品朝向其自然位置返回。可以通过驱动压电元件从其自然状态收缩而将样品从其自然位置向下移动。然而，给定的压电元件所允许的膨胀范围通常比其收缩范围更大。例如，压电元件的收缩范围通常仅为其膨胀范围的大约10％。因此，样品的自然位置通常被选定为对应到样品需要采用的最低位置处或其附近。
样品平台的瞬时位置可以从定位器对施加在压电元件上的驱动信号的已知响应计算出来。或者，可以提供用于测量位置的传感器。该传感器减小了定位器响应中任何长期漂移的影响，并且还能通过使用反馈回路而用作反馈信号来帮助位置稳定。
位置测量可以来自安装在压电元件8上的应变计29a、29b和29c。来自这些应变计的输出指示出压电元件8的膨胀或收缩程度。由此，可以确定杠杆的位置，从而计算出样品平台相对于底座的位置。在一个示例中，应变计被结合到局部地安装在定位器上的惠斯通电桥测量电路中。这样减小了与热变化相关的影响，该热变化可能会另外地出现在惠斯通电桥的不同元件之间。
在其它示例中，可以更直接地测量样品平台相对于底座的位置。例如，布置线性位移变换器来测量相邻对的输入和输出可挠曲连接件的叠加。在另一些情况下，可以使用其它反馈机构，例如来自外部的信号，该信号取决于样品的位置。例如，反射或干涉测量光学编码器。
可以理解，定位器的许多其它结构也是可以的。例如，不被结合到多轴线定位器中的单轴线定位器可使用刚性连接件来代替可挠曲连接件，用于将主体与底座以及样品平台相连。在这样的情况下，滑动轴承或弹性衬套装置可以用于底座和样品平台的固定，以接纳与杠杆外臂的弓形运动相关的任何横向运动。
在其它示例中，输入横向构件可以是坚固的，使得其不能挠曲，并相反地形成为底座的一部分或与底座刚性连接。在这样的情况下，压电元件的膨胀完全作用在输出杠杆的内臂上(这里没有输入杠杆)。这种构造使输出可挠曲连接件的安装销具有弓形而非斜线的运动。与其相关的横向运动分量又被可挠曲连接件的挠曲性或者在使用刚性连接件情况下被安装件的挠曲性所接纳。
通过输入和输出可挠曲连接件相互对折地穿过定位器的布置允许相对较长的连接件用在小空间内。这样提高了连接件的挠曲性，并且还提供了与任何横向运动相关的较大的曲率半径。这样减小了定位器的横向和纵向运动之间的耦合。然而，在一些实施例中，可挠曲连接件并不对折地穿过定位器，而是直接延伸远离定位器。这样有效地倒转运动的方向，使得压电元件的膨胀导致样品平台沿着与上述相反的方向移动。
可以理解，在一些示例中，输出杠杆以及输入杠杆(如果有的话)可以呈现为例如通过用作挠曲节点的片簧相连的分离元件，并且不需要由单个具有用于形成挠曲节点的切口的横向构件形成。在另外的示例中，输出杠杆可以相互分开，在它们之间没有挠曲节点或其它直接连接。在这样的情况下，如图1-4所示类型的负载弹簧可用于代替挠曲节点的功能(即，提供负载支撑和恢复力的功能)。在这样的情况下，在第一和第二支撑壁之间的连接件或其它装置可用于将杠杆相对于彼此正确地保持在适当位置。
还可以理解，其它类型的可挠曲支点也可以用作杠杆的支点。例如，在不包括整体的主体的示例中，具有落坐在杠杆中V形槽的刀口的支撑壁可用于提供可挠曲支点。
还可以理解，压电元件可被如此地构成，即，压电元件自身的轴线不平行于驱动轴线，压电元件沿着该驱动轴线施加致动或驱动力。例如，压电元件可被布置为沿着一个方向膨胀和收缩，所构成的力学驱动链传递该运动，以便沿驱动轴线提供致动力。
如上所述，以上描述了用于将样平品台相对于底座沿着竖直的z-轴线定位的定位器。可以理解，该特定取向是任意的，并且定位器的轴线可被布置成将样品平台相对于底座沿着任何所需方向，包括“颠倒”地定位。上面对上部、下部和向上、向下等所作的参考仅仅涉及处图1-4所示取向的定位器。
图6示意性地示出根据本发明第二实施例的定位器102的透视图。如上所述，将参照三维笛卡尔坐标系统对定位器102进行说明。图中的图例表示笛卡尔坐标的方向。
定位器102为三轴线平行的定位器，用于将样品平台(或输出级)106相对于底座(或输入级)104沿着x-轴线、y-轴线和z-轴线移动。该示例中，定位器的外部几何形状为具有约55mm的特征尺寸的大体立方体。
图7示意性地示出样品平台106和底座104的分解透视图。底座包括被布置成形成立方体的三个面的三个表面。xy-面110位于xy-平面上，xz-面112位于xz-平面上，yz-面114位于yz-平面上。样品平台类似地包括被布置成形成立方体三个面的三个表面，该三个面具有位于xy-平面中的xy-面120、位于xz-平面中的xz-面122和位于yz-平面中的yz-面124。在如图6所示的组装好的定位器102中，样品平台106和底座104被定位成彼此接近，但又不相互接触。
如从图6可以看出的那样，三轴线定位器102包括沿着样品平台106和底座104之间的三个正交轴线平行连接的三个单轴线定位器。这三个单轴线定位器为x-轴线定位器2x、y-轴线定位器2y和z-轴线定位器2z。这些定位器中的每个都与上面描述和在图1-5中所示的定位器2类似，并以相同方式工作，除了x-轴线和y-轴线定位器取向不同之外。
x-轴线定位器2x被布置成其驱动轴线平行于x-轴线，并且连接在底座的yz-面114和样品平台的yz-面124之间。用于x-轴线定位器2x的输入可挠曲连接件的安装销安装到在底座的yz-面114的孔76、78中。这些被各自的平头螺钉90、92保持在适当位置。用于x-轴线定位器2x的输出可挠曲连接件的安装销被类似地安装到样品平台的yz-面124中的孔(不可见)中。因此，当x-轴线定位器被如图1-5中的定位器2所述那样驱动时，样品平台106相对于底座104沿着x-方向移动。
y-轴线定位器2y被布置成其驱动轴线平行于y-轴线，并且连接在底座的xz-面112和样品平台的xz-面122之间。用于y-轴线定位器2y的输入可挠曲连接件的安装销安装到底座的xz-面112中的孔72、74中。这些销也被平头螺钉固定。用于y-轴线定位器2y的输出可挠曲连接件的安装销被类似地安装到样品平台的xz-面122中的孔84、86中。因此，当y-轴定位器被驱动时，样品平台106相对于底座104沿着y-方向移动。
z-轴线定位器2z被布置成其驱动轴线平行于z-轴线，并且连接在底座的xy-面110和样品平台的xy-面120之间。用于z-轴线定位器2z的输入可挠曲连接件的安装销安装到底座的xy-面110中的孔(不可见)中。用于z-轴线定位器2z的输出可挠曲连接件的安装销被安装到样品平台的xy-面120中的孔80、82中。因此，当z-轴线定位器2z被驱动时，样品平台106相对于底座104沿着z-方向移动。
因此，x-轴线定位器、y-轴线定位器和z-轴线定位器可被驱动以移动，从而沿着所有三个方向定位样品平台。因为x-轴线定位器、y-轴线定位器和z-轴线定位器每个采用用于连接在底座和样品平台之间的可挠曲连接件，与每个轴线相关的定位器可以类似于EP0937961中描述的方式广泛地接纳沿着其它轴线每个的运动。
回到在图2中示出的单轴线定位器2，在一些示例中，第一和第二支撑壁18、20可被作得足够薄，使得它们可以向外或向内挠曲。这可以通过用适当安装的致动器来实现。例如，粘到一个支撑壁的外表面上的压电元件可被驱动膨胀而使支撑壁挠曲。一个或多个应变计可被安装在支撑壁上，以测量挠曲程度。使一侧上的支撑壁挠曲具有这样的效果，即，将这一侧的相对的输入杠和输出杠杆对带到一起，以便增加同一侧上的底座和样品平台之间的间距。因此，以这样的方式挠曲支撑壁可允许相对于y-轴线倾斜地定位图1-4中示出的样品平台。采用类似装置来使图6示出的三个定位器中的每一个的支撑壁提供了一种六轴线定位器。
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Claims (42)

1.一种定位器，包括：
底座和可相对于所述底座移动的样品平台；
驱动机构，其被布置成在所述底座和所述样品平台之间动作；以及
多个彼此远离地延伸的杠杆，所述杠杆支撑所述样品平台并与所述驱动机构相连，使得所述驱动机构的致动在所述杠杆的力学效益下传递，以定位所述样品平台。
2.根据权利要求1所述的定位器，其特征在于，每个杠杆都可转动地安装在支点上，由此将所述杠杆再分成内臂和外臂，所述内臂与所述驱动机构相连，所述外臂支撑所述样品平台。
3.根据权利要求1或2所述的定位器，其特征在于，所述驱动机构被布置成沿着相同方向作用在所述杠杆上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的定位器，其特征在于，所述驱动机构包括压电元件。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的定位器，其特征在于，所述多个杠杆包括至少一对杠杆，该对杠杆沿着彼此相反的方向延伸。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的定位器，还包括使所述杠杆中的至少一些互连的挠曲节点。
7.根据权利要求6所述的定位器，其特征在于，所述杠杆由单个横向构件形成，所述挠曲节点由所述横向构件的变细部分提供。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的定位器，还包括支撑壁，所述支撑壁通过可挠曲连接部分与所述杠杆相连，以形成所述支点。
9.根据权利要求8所述的定位器，其特征在于，每个杠杆及其支撑壁为整体结构，所述可挠曲连接部分由变细的连接部分提供。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的定位器，其特征在于，所述支点可相对于彼此移动，使得所述样品平台可以相对于所述底座转动。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的定位器，其特征在于，所述样品平台通过一对输出连接件安装在所述杠杆上，该输出连接件相对于沿着其长度方向的轴线施加的力是刚性的。
12.根据权利要求11所述的定位器，其特征在于，所述输出连接件相对于横过其长度方向的轴线施加的力是可变形的。
13.根据权利要求11或12所述的定位器，其特征在于，所述输出连接件延伸远离所述驱动机械所在的同一侧上的所述杠杆。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的定位器，其特征在于，所述输出连接件基本上平行于驱动轴线延伸，所述驱动机构沿着该驱动轴线供给致动力。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的定位器，还包括偏压元件，该偏压元件连接到每个杠杆并且被布置成抵抗所述杠杆相对于所述底座的移动，并且在所述杠杆移动时提供恢复力。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的定位器，还包括机械止挡件，该机械止挡件与每个杠杆相连，以限制它相对于所述底座能够移动的量。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的定位器，其特征在于，所述杠杆的力学效益用来使所述样品平台移动比所述驱动机构的移动量要大的量。
18.根据权利要求1-16中任一项所述的定位器，其特征在于，所述杠杆的力学效益用来使所述样品平台移动比所述驱动机构的移动量要小的量。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的定位器，还包括一个或多个用于测量所述杠杆的位置的应变计。
20.根据权利要求19所述的定位器，其特征在于，所述一个或多个应变计与安装在所述定位器上的相应的电桥测量电路耦接。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的定位器，还包括另外的多个杠杆，所述另外的杠杆彼此远离地延伸，所述另外的杠杆与所述底座和所述驱动机构相连，使得所述驱动机构的致动被传递到所述另外的杠杆上，以使它们相对于所述底座移动。
22.根据权利要求21所述的定位器，其特征在于，所述另外的杠杆中的每一个都可转动地安装在支点上，由此将所述另外的杠杆再分成内臂和外臂，所述内臂与所述驱动机构相连，所述外臂与所述底座相连。
23.根据权利要求21或22所述的定位器，所述驱动机构被布置成沿着相同方向作用在所述另外的杠杆中的每一个上。
24.根据权利要求21-23中任一项所述的定位器，其特征在于，所述驱动机构被布置成沿着一方向作用在所述另外的杠杆上，该方向不同于所述驱动机构作用在所述第一次提及的杠杆的方向。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的定位器，其特征在于，所述另外的杠杆中的每一个与所述第一次提及的杠杆中的相对应的一个对齐。
26.根据权利要求21-25中任一项所述的定位器，其特征在于，所述另外的杠杆通过挠曲节点连接在一起。
27.根据权利要求26所述的定位器，其特征在于，所述另外的杠杆由单个横向构件形成，所述挠曲节点由所述横向构件的变细部分提供。
28.当从属于权利要求8时，根据权利要求22-27中任一项所述的定位器，所述支撑壁也支撑所述另外的杠杆，所述另外的杠杆通过提供所述支点的可挠曲连接件与所述支撑壁相连。
29.根据权利要求28所述的定位器，其特征在于，每个另外的杠杆及其支撑壁为整体结构，所述可挠曲连接部分由其接合处的变细部分提供。
30.根据权利要求28或29所述的定位器，其特征在于，所述第一次提及的杠杆、所述支撑壁和所述另外的杠杆为整体结构。
31.根据权利要求21-30中任一项所述的定位器，其特征在于，所述另外的杠杆通过一对输入连接件与所述底座相连，该输入连接件相对于其长度方向的轴线施加的力是刚性的。
32.根据权利要求31所述的定位器，其特征在于，所述输入连接件相对于横过其长度方向的轴线施加的力是可变形的。
33.根据权利要求31或32所述的定位器，其特征在于，所述输入连接件延伸远离所述驱动机构所在的同一侧上的所述输入杠杆。
34.根据权利要求31-33中任一项所述的定位器，其特征在于，所述输入连接件基本上平行于驱动轴线延伸，所述驱动机构沿着该驱动轴线供给致动力。
35.根据权利要求21-34中任一项所述的定位器，还包括偏压元件，所述偏压元件与所述另外的杠杆中的每一个相连，并被布置成抵抗所述另外的杠杆相对于底座的移动，并且在所述另外的杠杆移动时提供恢复力。
36.根据权利要求21-35中任一项所述的定位器，还包括机械止挡件，所述机械止挡件与所述另外的杠杆中的每一个相连，以限制它相对于所述底座可以移动的量。
37.根据权利要求21-36中任一项所述的定位器，还包括一个或多个用于测量所述另外的杠杆的位置的应变计。
38.根据权利要求37所述的定位器，其特征在于，所述一个或多个应变计被耦接到安装在所述定位器上的相应的电桥测量电路上。
39.一种多轴线定位器，包括根据权利要求1-38中任一项所述的第一定位器和根据权利要求1-38中任一项所述的第二定位器，所述第一定位器沿着第一方向对齐，所述第二定位器沿着不同的第二方向对齐，所述第一和第二定位器连接在共同的底座和共同的样品平台之间。
40.根据权利要求39所述的定位器，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向彼此正交。
41.根据权利要求39或40所述的定位器，还包括根据权利要求1-38中任一项所述的第三定位器，所述第三定位器沿着第三方向对齐，所述第三方向与所述第一和第二方向不同，所述第三定位器连接在所述共同的底座和所述共同的样品平台之间。
42.根据权利要求41所述的定位器，其特征在于，所述第三方向相对于所述第一或第二方向中的至少一个正交地布置。
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