CN204631348U - 压电式物镜驱动台 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微驱动应用领域，涉及一种压电式物镜驱动台，包括具有固定杆的底座、固定在所述固定杆上的固定环、固定在所述固定环内的安装环、设置在所述底座上的移动平台、固定在所述移动平台上的运动环、固定在所述运动环内的物镜环及与所述移动平台连接的压电陶瓷，所述移动平台与固定杆平行设置，所述物镜环设置在所述安装环的一侧且与所述安装环平行设置，所述物镜环与安装环的轴线方向与固定杆的延伸方向平行设置，所述压电陶瓷驱动所述移动平台沿物镜环的轴线方向移动。

Description

压电式物镜驱动台

技术领域

本实用新型属于微驱动应用领域，涉及一种压电式物镜驱动台。

背景技术

目前，在生物学中光学显微镜一直都是人们探索微观世界的有力工具,人们利用它不断对微观世界加深了认知。光学显微镜的发展对人类认识生命现象起着关键性作用。随着科技水平的不断进步，光学显微镜的应用领域在扩大延伸,同时也在不断的提高其成像质量。随着社会发展的需要，人们对显微样本内部三维结构观测的需求越来越大，这就对显微镜的分辨率提出了极高的要求。然而,传统光学显微镜的呈现清晰度完全取决于光学物镜的放大倍数，而当前光学物镜的最大放大倍数只能达到1600倍(人眼分辨的清晰度为1mm左右，以1600倍放大为例，最小观察精度0.625微米)。显然传统的光学显微镜在此已不能满足需求。

但目前现有物镜驱动装置一般采用电机驱动或者手调，此类装置具有精度达不到要求、响应时间慢、体积过大且噪声大等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可实现纳米级定位的压电式物镜驱动台。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：一种压电式物镜驱动台，包括具有固定杆的底座、固定在所述固定杆上的固定环、固定在所述固定环内的安装环、设置在所述底座上的移动平台、固定在所述移动平台上的运动环、固定在所述运动环内的物镜环及与所述移动平台连接的压电陶瓷，所述移动平台与固定杆平行设置，所述物镜环设置在所述安装环的一侧且与所述安装环平行设置，所述物镜环与安装环的轴线方向与固定杆的延伸方向平行设置，所述压电陶瓷驱动所述移动平台沿物镜环的轴线方向移动。

进一步的，所述压电式物镜驱动台还包括致动部和自所述致动部折弯形成的抵持部，所述致动部的一端与移动平台铰接，另一端与底座的固定杆铰接，所述压电陶瓷具有抵持在抵持部上的抵持端，所述抵持端上设置有预紧力调节垫片。

进一步的，所述压电陶瓷还具有连接至所述移动平台上的连接端，所述连接端与移动平台之间通过柔性铰链连接。

进一步的，所述致动部为连架杆，所述连架杆包括与底座铰接的致动端，所述抵持部自所述致动端弯折延伸形成。

进一步的，所述压电式物镜驱动台还包括随动杆，所述随动杆的一端与移动平台铰接，另一端与底座的固定杆铰接，所述抵持部自所述致动部朝随动杆的方向弯折延伸形成。

进一步的，所述致动部、移动平台、随动杆及底座围设形成一个平行四边形。

进一步的，所述致动部、移动平台、随动杆及底座之间通过柔性铰链连接。

进一步的，所述运动环和固定环分别具有环部和自所述环部的一侧向下延伸形成的安装块，所述运动环和固定环分别通过各自的安装块固定在移动平台和底座的固定杆上。

进一步的，所述移动平台上凹陷形成有第一台阶槽，所述第一台阶槽上开设有第一梯形孔，所述固定环通过预紧顶丝与第一梯形孔固定，所述固定杆上凹陷形成有第二台阶槽，所述第二台阶槽上开设有第二梯形孔，所述运动环通过预紧顶丝与第二梯形孔固定。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：本实用新型的压电式物镜驱动台通过在底座上设置移动平台，且将物镜环通过运动环固定在移动平台上，然后由压电陶瓷驱动移动平台沿物镜环的轴线方向移动，从而依靠压电陶瓷驱动电源的电压激励，实现移动平台的微型位移，及实现纳米级定位。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型压电式物镜驱动台的主视图；

图2是图1的侧视图；

图3为图1的分解图；

图4是图2的部分结构图；

图5是图4的俯视图；

图6A是图4中铰链机构处于静止状态时的原理图；

图6B是图4中铰链机构处于运动状态时的变化原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图1至图5，本实用新型一较佳实施例所述的一种压电式物镜驱动台包括底座1、固定在所述底座1上的固定环5、固定在固定环5内的安装环6、设置在所述底座1上的铰链机构4、固定在所述铰链机构4上的运动环2、固定在所述运动环2内的物镜环3和抵压在所述铰链机构4上的压电陶瓷7。所述底座1上设置有与铰链机构4连接的固定杆11，所述固定杆11上凹陷形成有第二台阶槽12，所述第二台阶槽12上开设有两个第二梯形孔13，所述固定环5通过预紧顶丝与第二梯形孔13固定。所述物镜环3设置在所述安装环6的一侧且与所述安装环6平行设置，所述物镜环3与安装环6的轴线方向与固定杆11的延伸方向平行设置。所述安装环6物镜环3与显微镜(未图示)的物镜螺纹孔相连，物镜环3与显微镜10的物镜相连。所述运动环2和固定环5分别具有环部81和自所述环部81的一侧向下延伸形成的安装块82，所述运动环2和固定环5分别通过各自的安装块82固定在铰链机构4和底座1的固定杆11上，所述物镜环3和安装环6分别通过预紧螺丝拧入运动环2的环部81和固定环5的环部上螺纹孔中，以分别固定住物镜环3和安装环6。

所述铰链机构4包括相对设置的随动杆41和致动部42、分别铰接随动杆41和致动部42的移动平台43及自所述致动部42折弯形成的抵持部44。所述随动杆41的一端和致动部42的一端分别与移动平台43的两端铰接，所述随动杆41的另一端和致动部42的另一端分别铰接于底座1的固定杆11，所述移动平台43与固定杆11平行设置。所述运动环2通过其安装块82固定在所述移动平台43上，所述抵持部44靠近致动部42铰接于底座1的固定杆11的一端，所述压电陶瓷7抵持于所述抵持部44。在本实施例中，所述致动部42为连架杆，所述连架杆42包括与底座1铰接的致动端(未标号)，所述抵持部44自所述致动端弯折延伸形成。所述抵持部44自所述致动部42朝随动杆41的方向弯折延伸形成。所述致动部42、移动平台43、随动杆41及底座1的固定杆11围设形成一个平行四边形，所述致动部42、移动平台43、随动杆41及底座1的固定杆11之间通过柔性铰链9连接。所述移动平台43上凹陷形成有第一台阶槽45，所述第一台阶槽45上开设有第一梯形孔46，所述运动环2通过预紧顶丝(未图示)与第一梯形孔46固定。

所述致动部42、移动平台43、随动杆41及底座1的固定杆11形成一个平行四边形放大机构，其呈一体式结构，所述压电陶瓷7设置在该平行四边形放大机构内。所述压电陶瓷7驱动所述移动平台43沿物镜环3的轴线方向移动。所述压电陶瓷7具有抵持在抵持部44上的抵持端(未标号)和相对抵持端设置的连接端(未标号)，所述抵持端通过预紧顶丝(未图示)固定在抵持部44上，所述抵持端上设置有预紧力调节垫片47，该预紧力调节垫片47选用钨钢片，该预紧力调节垫片47通过环氧树脂胶粘连在压电陶瓷7上，为压电陶瓷7在整体运动时提供一个转动副，所述连接端连接至所述移动平台43上，该连接端与移动平台43之间通过柔性铰链9连接。所述压电陶瓷7是利用压电陶瓷7的逆压电效应来工作，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动、压电陶瓷7克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、响应快、无发热、不受磁场干扰、可在低温，真空环境下使用等优点，可被广泛应用于微定位技术中，例如物镜精密定位、大行程纳米对准系统、高精度显微纳米压印、线性电动机和微波声学等领域。

请结合图6A、6B，上述压电式物镜驱动台的工作原理如下：图6A、6B中C、D点分别为移动平台43与致动部42和随动杆41的铰接点，为非固定滚动点，构成了运动端；A、B为致动部42、随动杆41与底座1的固定杆11的铰接点，为纯滚动点，构成固定端；E点为压电陶瓷75所产生的力F对抵持部44的推力点(即预紧力调节垫片47所在位置)。运动环2和固定环5安装时，分别通过其上的螺纹孔与第二梯形孔13和第一梯形孔46对接并通过预紧顶丝固定。在实际运动中如图6A、6B所示压电陶瓷7对E点出产生一个推力，E点会绕着A点旋转，由于压电陶瓷7通过预紧顶丝与纯滚动点E牢固接触，即压电陶瓷7会绕着A点旋转。与此同时A点带着整个平行四边形放大机构沿着如图6B所示的位移输出方向运动。当压电陶瓷7在竖向输入一小位移Sx时，在运动部分(横向)CD处即获得一大位移输出Sy，其比值为C1＝Sy/Sx(位移输出比)。由图1中可以看出该平行四边形放大机构在输出横向位移时存在一个Z向的耦合位移，通过理论计算可知当位移输出在几百微米级别时，Z向的耦合位移为横向的千分之一，可忽律不计。由杠杆原理可知，此类机构的理论放大倍数值为C2＝AC/AE，即可通过调节压电陶瓷7安装点E的位置以及AC的长度使得在结构最紧凑的条件下放大倍数达到一个最优值，C的最优取值为7至14。但实际使用中C值会小于最优值，一方面是因为柔性机构会有一定的弹性反力产生，使得平行四边形放大机构的输出位移相应的减少；另一方面柔性铰链9是由于材料的弹性形变产生的位移，所以在形变过程中有一部分能量被材料本身吸收，同时会使压电陶瓷7受较大的载荷，使其提供的驱动位移亦有减小。另外，由于压电陶瓷7设置在该平行四边形放大机构内，除四周壁壳外，没有多余的结构元，可见其结构是非常紧凑的，且当外形尺寸受限，压电陶瓷7确定的情况下，此结构能够获得更大的位移输出比。由于上述工作原理，使用压电式物镜驱动台时，通过施加电压激励的方式驱动压电陶瓷7致动实现显微镜10物镜精密直线运动，实现显微镜10物镜微米级运动。

当驱动电源给压电陶瓷7施加电压激励时，压电陶瓷7带动E点使平行四边形放大机构中的上部CD沿位移输出方向运动，此机构能将压电陶瓷7运动范围放大5倍以上，其中由于柔性铰链9起导向、辅助回复、位移放大等的作用，并且在柔性铰链9的保护下，移动平台保持运动方向的一致性，将垂直于运动方向的任何运动保持在可以忽略的程度，且该平行四边形放大机构可有效的保护压电陶瓷7免受外界的震动、冲击和惯性力等，以此来提高压电陶瓷7的可靠性和稳定性。

在本实施例中，由于铰链机构4采用柔性铰链9，微小的位移是通过材料的弹性形变产生的。通常情况下，材料的弹性变形和输出力与材料的弹性模量E以及其屈服极限σs成正比，为了增大柔性铰链9的运动范围，在一定程度上来说，所选柔性铰链9材料的弹性模量E以及屈服极限σs愈大愈好，同时必须满足以下要求：1.柔性铰链9的最大变形时的恢复力要小于压电陶瓷7的最大驱动力；2.柔性铰链9最大变形时的最大应力要小于材料的许用应力。综合以上因数，铍青铜、钛合金、弹簧钢和超硬铝在变形方面比较好，但是钛合金一般都比较昂贵，很少采用，铍青铜是有毒材料，会给使用带来很多不便，弹簧钢的密度太大，故本实施例中所用材料为超硬铝。其它零件所用材料为：压电陶瓷7使用锆钛酸铅(PZT)、预紧顶丝和装饰性封堵均使用普通钢材Q235并进行发黑处理。钨钢片采用钨钢(硬质合金)，具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。

综上所述，上述压电式物镜驱动台通过在底座1上设置移动平台43，且将物镜环3通过运动环固定在移动平台43上，然后由压电陶瓷7驱动移动平台43沿物镜环3的轴线方向移动，从而依靠压电陶瓷7驱动电源的电压激励，实现移动平台43的微型位移，及实现纳米级定位。

另外，利用铰链机构4进行无间隙、无耦合将压电陶瓷7微位移传动的运动放大，以有效地提高运动放大倍数及保证体积的紧凑性，实现纳米级定位，相对现有技术，其可以解决目前物镜驱动装置一般采用电机驱动或者手调，定位精度达不到要求、响应时间慢、体积过大且噪声大的问题。在实现显微镜10物镜方向运动范围放大的基础上，通过采用平行四边形放大机构实现了在结构更紧凑的前提下输出更大位移。本实用新型在微机电系统、光学调整、超精密加工、STM和AFM显微镜10扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域因其结构紧凑和易大范围精确定位而拥有广泛的应用前景。

上述压电式物镜驱动台本实用新型中的平行四边形放大机构呈一体式结构，即由整块金属经数控铣、钻和线切割等工艺加工形成自身连接的整体，以使结构紧凑，且当外形尺寸受限且压电陶瓷7确定的情况下，此结构能够获得更大的位移输出比，而且避免了传动中的空程和摩擦等约束对其精度的影响。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种压电式物镜驱动台，其特征在于：包括具有固定杆的底座、固定在所述固定杆上的固定环、固定在所述固定环内的安装环、设置在所述底座上的移动平台、固定在所述移动平台上的运动环、固定在所述运动环内的物镜环及与所述移动平台连接的压电陶瓷，所述移动平台与固定杆平行设置，所述物镜环设置在所述安装环的一侧且与所述安装环平行设置，所述物镜环与安装环的轴线方向与固定杆的延伸方向平行设置，所述压电陶瓷驱动所述移动平台沿物镜环的轴线方向移动。

2.根据权利要求1所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述压电式物镜驱动台还包括致动部和自所述致动部折弯形成的抵持部，所述致动部的一端与移动平台铰接，另一端与底座的固定杆铰接，所述压电陶瓷具有抵持在抵持部上的抵持端，所述抵持端上设置有预紧力调节垫片。

3.根据权利要求2所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述压电陶瓷还具有连接至所述移动平台上的连接端，所述连接端与移动平台之间通过柔性铰链连接。

4.根据权利要求3所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述致动部为连架杆，所述连架杆包括与底座铰接的致动端，所述抵持部自所述致动端弯折延伸形成。

5.根据权利要求4所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述压电式物镜驱动台还包括随动杆，所述随动杆的一端与移动平台铰接，另一端与底座的固定杆铰接，所述抵持部自所述致动部朝随动杆的方向弯折延伸形成。

6.根据权利要求5所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述致动部、移动平台、随动杆及底座围设形成一个平行四边形。

7.根据权利要求6所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述致动部、移动平台、随动杆及底座之间通过柔性铰链连接。

8.根据权利要求7所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述运动环和固定环分别具有环部和自所述环部的一侧向下延伸形成的安装块，所述运动环和固定环分别通过各自的安装块固定在移动平台和底座的固定杆上。

9.根据权利要求8所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述移动平台上凹陷形成有第一台阶槽，所述第一台阶槽上开设有第一梯形孔，所述固定环通过预紧顶丝与第一梯形孔固定，所述固定杆上凹陷形成有第二台阶槽，所述第二台阶槽上开设有第二梯形孔，所述运动环通过预紧顶丝与第二梯形孔固定。