CN204964864U - 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，该压电式物镜驱动台，用以固定物镜环，包括中空型壳体和设置在所述壳体上的压电陶瓷，所述中空型壳体包括壳体部和首尾贯穿壳体部形成的腔体，所述壳体部上设置有移动平台，所述物镜环位于所述腔体内，且固定在所述移动平台上，所述压电陶瓷驱动所述移动平台移动，该压电式物镜驱动台通过设置中空型壳体，且该中空型壳体上设置安装物镜环的移动平台，并由压电陶瓷驱动该移动平台移动，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。

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，用以固定物镜环，包括中空型壳体和设置在所述壳体上的压电陶瓷，所述中空型壳体包括壳体部和首尾贯穿壳体部形成的腔体，所述壳体部上设置有移动平台，所述物镜环位于所述腔体内，且固定在所述移动平台上，所述压电陶瓷驱动所述移动平台移动。

进一步的，所述壳体部上还设置有与所述移动平台连接的移动部，所述压电陶瓷抵压在所述移动部上，所述压电陶瓷与移动部之间设置有滚珠。

进一步的，所述移动部上设置有预紧顶丝，所述预紧顶丝与压电陶瓷相对设置在所述滚珠的两侧。

进一步的，所述压电陶瓷上设置有抵压所述滚珠的钨钢片。

进一步的，所述移动平台和移动部通过切割所述壳体部所形成，所述壳体部内形成有收纳所述压电陶瓷、滚珠、预紧顶丝和钨钢片的收纳孔。

进一步的，所述壳体部上远离移动部的一端安装有中空型端盖，所述压电陶瓷卡固在所述中空型端盖上，所述压电陶瓷上连接有屏蔽线，所述壳体部上开设有供所述屏蔽线穿过的开孔。

进一步的，所述壳体部上还切割形成有随动部，所述随动部与移动部平行设置，所述移动平台通过柔性铰链连接所述移动部和随动部，所述移动部和随动部通过柔性铰链连接至壳体部。

进一步的，所述随动部、移动部、移动平台围设形成一个平行四边形铰链机构。

进一步的，所述铰链机构为均匀分布在所述壳体部上的至少两个。

进一步的，所述壳体部呈环形桶体。

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设置中空型壳体，且该中空型壳体上设置安装物镜环的移动平台，并由压电陶瓷驱动该移动平台移动，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是本发明物镜驱动台的分解图；

图2是图1的侧视图；

图3是图2的右侧视图；

图4是图3中后盖板的结构图；

图5为图3中铰链结构的原理图。

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4，本发明一较佳实施例所述的一种物镜驱动台用以固定显微镜的物镜环(未图示)，其包括中空型壳体1和设置在所述中空型壳体1上压电陶瓷2。所述中空型壳体1包括壳体部11、首尾贯穿壳体部11形成的腔体12和安装在壳体部11上的中空型端盖13，所述壳体部11包括切割该壳体部11所形成基部14和铰链机构15，所述铰链机构15包括相对平行设置的随动部151和移动部152、及连接移动部152和随动部151的移动平台153，所述随动部151的一端与基部14通过铰链连接(未标号)，另一端通过铰链连接至移动平台153的一端，所述移动部152的一端通过铰链连接至基部14，另一端通过铰链连接至移动平台153的另一端。在本实施例中，所述随动部151、移动部152、移动平台153及基部14围设形成一个平行四边形，所述随动部151、移动部152、移动平台153及基部14之间的铰链连接方式为柔性铰链连接，以使得该铰链机构15紧凑、传动关系明确、无传动空程，并且无摩擦。诚然，在其他实施方式中，该铰链机构15还可以为其他铰链四杆机构或者由铰链四杆机构变形后的其他铰链机构15(如滑块机构等)，但是，本实施例所采用的铰链机构15为最优实施方式。所述中空型壳体1呈一体式结构。在本实施了中，该铰链机构15为切割壳体部11所形成，但其他实施方式中，其可以为设置在壳体部11上的部件，为了使物镜环移动平稳，所述铰链机构15为均匀分布在所述壳体部11上的至少两个，当然，若设置其他数量也可以，其具有看实际需求，本实施例中设置两个的目的在于，在达到物镜环运动平稳的基础上，成本最低，制造工艺最简便，另外，也是根据壳体部11结构所规划，在本实施了中，所述壳体部11呈环形桶体，以实现刚性大，动态特性好，另外，桶体结构便于安装，诚然，该壳体部11也可以成其他形状，如对称的等边三角形，则此时，铰链结构可以均匀分布成三个，而为了便于安装，其内部的腔体12仍然可以设置成圆形。所述物镜环位于所述腔体12内，且固定在所述移动平台153上，其位于移动部152的外侧，所述壳体部11内设置有物镜环安装部16，所述物镜环安装部16与移动平台153连接形成一体式结构，该物镜环安装部16与移动平台153呈倒L型结构。所述中空型端盖13安装在壳体部11远离移动部152且靠近随动部151的一端。所述中空型端盖13呈环型，该中空型端盖13通过紧固件(未图示)固定在壳体部11上。

所述压电陶瓷2设置在所述壳体部11内，所述压电陶瓷2抵压在所述移动部152上，通过铰链机构153可以将压电陶瓷25位移放大后带动物镜环4运动实现物镜纳米级定位。所述压电陶瓷2是利用压电陶瓷2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2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。

所述压电陶瓷2抵压在所述滚珠3上，所述移动部152上设置有预紧顶丝4，所述预紧顶丝4与压电陶瓷2相对设置在所述滚珠3的两侧。所述压电陶瓷2的两端分别设置有钨钢片5，该钨钢片5采用环氧胶粘连在压电陶瓷2上，其中一端的钨钢片5通过间隙配合卡固在中空型端盖13上，从而使得压电陶瓷2在壳体内准确定位，在本实施例中，中空型端盖13上开设有卡固所述压电陶瓷2的T型卡槽131。所述压电陶瓷2上另一端的钨钢片5抵压所述滚珠3，通过将钨钢片5抵压在所述滚珠3上，从而使得移动部152与压电陶瓷2的端面不垂直时，也能保证压电陶瓷2不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护压电陶瓷2，减少了压电陶瓷2的损耗。所述压电陶瓷2上连接有屏蔽线(未图示)，所述壳体部11上开设有供所述屏蔽线穿过的开孔111。在本实施例中，所述位于移动部152一端的壳体部11的腔体152直径小于位于随动部151一端的壳体部11的腔体12直径，另外，所述移动部152的厚度大于随动部151的厚度，所述壳体部11内形成有收纳所述压电陶瓷2、滚珠3、预紧顶丝4和钨钢片5的收纳孔112，所述收纳孔112穿过随动部151，未穿过移动部152，在本实施了中，由于设置有两个铰链机构15，所以，对应的压电陶瓷2也需要设置两个，对应的所述收纳孔112也设置有两个，该两个收纳孔112的前端通过弧形槽113连接，所述弧形槽113开设在所述壳体部11的前端。

上述压电陶瓷2的安装方式如下：滚珠3通过过盈配合嵌入预紧顶丝4，粘有钨钢片5的压电陶瓷2与嵌有滚珠3的预紧顶丝4通过点面接触相连接(即运动高副)，其好处在于即使移动部152与压电陶瓷2的端面不垂直时，也能保证压电陶瓷2不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护的压电陶瓷2，减少了压电陶瓷2的损耗。在此需要说明的是，由于预紧顶丝4在旋入螺纹孔之后必定会存在一定的螺纹间隙和松动导致压电陶瓷2无法预紧，在本实施例中，一方面采用了M4*0.35的细牙螺纹来消除间隙并通过预紧顶丝4达到微调的目的；另一方面使用两个预紧顶丝4，使两个预紧顶丝4的受力方向相反达到防松的目的，具体实施时通过调节预紧顶7的松紧为所述压电陶瓷2提供足够的预紧力。当安装完压电陶瓷2及调节好预紧力之后，将中空型端盖13粘连在壳体部11上，达到保护压电陶瓷2的目的。

请结合图5，上述物镜驱动台的工作原理如下：图5中C、D点分别为移动平台153与移动部152和随动部151的铰接点，A、E为移动部152、随动部151与基部14的铰接点，B点为压电陶瓷2所产生的力F对移动部152的推力点(即滚珠3所在位置)，当压电陶瓷2在X向(横向)输入一小位移Sx时，在移动平台153即获得一大位移输出X，其比值为C＝X/Sx(位移输出比)。由图5中可以看出该铰链机构15在输出X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X向的千分之一，可忽律不计。由杠杆原理可知，此类铰链机构15的理论放大倍数值为C＝AC/AB,即可通过调节B点的位置使得在最紧凑的结构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，一方面是因为柔性铰链会有一定的弹性反力产生，使得该铰链机构15的输出位移相应的减少；另一方面柔性铰链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2受较大的载荷，使其提供的驱动位移亦有减小。本发明由于将压电陶瓷2直接设置在壳体部11内，压电陶瓷2除机械本体四周壁壳外，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2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，使用物镜驱动台时，通过施加电压激励的方式驱动压电陶瓷2致动实现安装在物镜环上的显微镜物镜精密直线运动，实现显微镜物镜微米级运动。

在本实施例中，由于铰链机构15采用柔性铰链，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，为了增大柔性铰链的运动范围，在一定程度上来说，所选柔性铰链材料的弹性模量E以及屈服极限σs愈大愈好，同时必须满足以下要求：1.柔性铰链的最大变形时的恢复力要小于压电陶瓷2的最大驱动力；2.柔性铰链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2使用锆钛酸铅(PZT)、预紧顶丝4和装饰性封堵均使用普通钢材Q235并进行发黑处理。钨钢片5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设置中空型壳体1，且该中空型壳体1上设置安装物镜环的移动平台153，并由压电陶瓷2驱动该移动平台153移动，从而依靠压电陶瓷2驱动电源的电压激励，实现移动平台153的微型位移，及实现纳米级定位。

另外，利用铰链机构15进行无间隙、无耦合将压电陶瓷2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。又中空型壳体1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2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 (10)

1.一种压电式物镜驱动台，用以固定物镜环，其特征在于：包括中空型壳体和设置在所述壳体上的压电陶瓷，所述中空型壳体包括壳体部和首尾贯穿壳体部形成的腔体，所述壳体部上设置有移动平台，所述物镜环位于所述腔体内，且固定在所述移动平台上，所述压电陶瓷驱动所述移动平台移动。

2.根据权利要求1所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述壳体部上还设置有与所述移动平台连接的移动部，所述压电陶瓷抵压在所述移动部上，所述压电陶瓷与移动部之间设置有滚珠。

3.根据权利要求2所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述移动部上设置有预紧顶丝，所述预紧顶丝与压电陶瓷相对设置在所述滚珠的两侧。

4.根据权利要求3所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述压电陶瓷上设置有抵压所述滚珠的钨钢片。

5.根据权利要求4所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述移动平台和移动部通过切割所述壳体部所形成，所述壳体部内形成有收纳所述压电陶瓷、滚珠、预紧顶丝和钨钢片的收纳孔。

6.根据权利要求5所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述壳体部上远离移动部的一端安装有中空型端盖，所述压电陶瓷卡固在所述中空型端盖上，所述压电陶瓷上连接有屏蔽线，所述壳体部上开设有供所述屏蔽线穿过的开孔。

7.根据权利要求5或6所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述壳体部上还切割形成有随动部，所述随动部与移动部平行设置，所述移动平台通过柔性铰链连接所述移动部和随动部，所述移动部和随动部通过柔性铰链连接至壳体部。

8.根据权利要求7所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述随动部、移动部、移动平台围设形成一个平行四边形铰链机构。

9.根据权利要求8所述的压电式物镜驱动台，其特征在于：所述铰链机构为均匀分布在所述壳体部上的至少两个。

10.根据权利要求1所述的物镜驱动台，其特征在于：所述壳体部呈环形桶体。