CN208754204U - 一种微位移装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及纳米微定位技术领域，具体涉及一种微位移装置及系统，所述微位移装置包括平台主体，以及设置在平台主体上的运动平台、用于驱动运动平台相对于平台主体进行微位移的驱动组件以及桥式放大结构，所述驱动组件包括至少两个依次连接的压电陶瓷，且任一相邻的所述压电陶瓷通过桥式放大结构连接，所述驱动机构与运动平台之间也通过桥式放大结构连接。本实用新型通过设计一种微位移装置及系统，利用压电陶瓷的逆压电效应以及桥式放大结构的位移放大性能，将电能转换为机械高线性度位移，具有大行程和很小的径向偏差，进一步地，通过多级设置的压电陶瓷提高位移放大倍数。

Description

一种微位移装置及系统

技术领域

本实用新型涉及纳米微定位技术领域，具体涉及一种微位移装置及系统。

背景技术

纳米微定位技术是21世纪的科技技术趋势之一，常规的微定位技术通常采用伺服电机和精密丝杠传动的方案。平台由光楔、伺服电机、传动机构组成，光楔安装在传动机构内，传动机构通过齿轮与安装伺服电机上齿轮啮合,然后伺服电机驱动传动机构带动光楔绕光轴旋转，探测器上的目标也同步旋转，在4个时刻提取4幅子图像，这4幅子图像即为依次相差半像素间距的图像。

由于上述常规方案本身结构上螺纹配合的偏差以及传动过程中存在摩擦，其精度最高只能达到微米级别且使用过程不稳定，满足不了高精度使用场合。

随着生物行业以及微电子(半导体)行业的迅速发展，对定位平台提出了超越微米更高级别的定位精度要求。

因此，设计一种可达纳米级别的分辨率的微位移装置是该领域一直关注的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种采用压电陶瓷作为动力驱动且设有多级位移放大机构的微位移装置及系统，克服常规定位平台精度不够且使用过程不稳定的缺陷。

为解决该技术问题，本实用新型提供一种微位移装置，所述微位移装置包括平台主体，以及设置在平台主体上的运动平台、用于驱动运动平台相对于平台主体进行微位移的驱动组件以及桥式放大结构，所述驱动组件包括至少两个依次连接的压电陶瓷，且任一相邻的所述压电陶瓷通过桥式放大结构连接，所述驱动机构与运动平台之间也通过桥式放大结构连接。

其中，较佳方案是：所述微位移装置还包括设置在平台主体与压电陶瓷之间的安装机构，所述安装机构包括安装压电陶瓷的挠性安装座和对压电陶瓷提供预紧力的预紧顶丝。

其中，较佳方案是：所述桥式放大结构采用半桥式结构，所述半桥式结构包括桥接端和第一输出端；所述半桥式结构分别通过桥接端与后一个压电陶瓷的一端连接，且通过第一输出端与前一个压电陶瓷的一端连接，所述半桥式结构分别通过桥接端与和运动平台邻近设置的压电陶瓷的一端连接，且通过第一输出端与运动平台连接。

其中，较佳方案是：所述半桥式结构的第一输出端为圆弧形柔性铰链。

其中，较佳方案是：所述平台主体的表面设有开口，所述运动平台部分突出开口并向外延伸设置。

其中，较佳方案是：所述微位移装置还包括设置在平台主体与运动平台之间且用于提高运动平台的谐振频率的异性弹簧组件，并且，所述异性弹簧组件与驱动组件分别设置在平台主体的两侧。

其中，较佳方案是：所述异性弹簧组件包括多个依次连接的全桥式结构，所述全桥式结构包括全桥结构和设置在全桥结构两侧的第二输出端，所述全桥式结构通过第二输出端与相邻全桥式结构的第二输出端连接，以及两个设置在最端边处的全桥式结构分别通过第二输出端与平台主体或运动平台连接。

其中，较佳方案是：所述全桥式结构的第二输出端为圆弧形柔性铰链。

其中，较佳方案是：所述平台主体的材料为超硬铝、不锈钢、工具钢和殷钢中的一种。

为解决该技术问题，本实用新型提供一种微位移系统，所述微位移系统包括所述的微位移装置，以及分别与微位移装置的压电陶瓷连接的控制单元，所述控制单元根据驱动命令发送分别驱动压电陶瓷工作。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，本实用新型通过设计一种微位移装置及系统，利用压电陶瓷的逆压电效应以及桥式放大结构的位移放大性能，将电能转换为机械高线性度位移，具有大行程和很小的径向偏差，进一步地，通过多级设置的压电陶瓷提高位移放大倍数；以及，采用异性弹簧组件，极大的减小铰链关键处的最大应力以及提供较高的系统刚度，同时能有效提高位移平台的使用谐振频率，并且，能有效防止压电陶瓷受到的横向切应力，从而保证压电陶瓷正常使用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1为本实用新型微位移装置的剖视图；

图2为本实用新型微位异性弹簧组件的局部放大图；

图3为本实用新型微位移装置的平台主体的结构示意图；

图4为本实用新型微位移装置的平台主体的具体结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型的较佳实施例作详细说明。

如图1和图2所示，本实用新型提供微位移装置的优选实施例。

一种微位移装置，包括平台主体160，以及设置在平台主体160上的运动平台110、用于驱动运动平台110相对于平台主体160进行微位移的驱动组件120以及桥式放大结构130，所述驱动组件120包括至少两个依次连接的压电陶瓷，且任一相邻的所述压电陶瓷通过桥式放大结构130连接，所述驱动机构与运动平台110之间也通过桥式放大结构130连接。

其中，所述桥式放大结构130采用半桥式结构，所述半桥式结构包括桥接端132和第一输出端131；所述半桥式结构分别通过桥接端132与后一个压电陶瓷的一端连接，且通过第一输出端131与前一个压电陶瓷的一端连接，所述半桥式结构分别通过桥接端132与和运动平台110邻近设置的压电陶瓷的一端连接，且通过第一输出端131与运动平台110连接。将电能转换为机械高线性度位移，具有大行程和很小的径向偏差。

具体地，本实施例提供一两级放大的微位移装置，所述驱动组件120包括两个依次连接的一级压电陶瓷121和二级压电陶瓷122，所述一级压电陶瓷121与平台主体160连接，所述二级压电陶瓷122与运动平台110连接；以及，所述一级压电陶瓷121的后端与半桥式结构的桥接端132连接，并通过半桥式结构的第一输出端131与二级压电陶瓷122的前端连接，所述二级压电陶瓷122的后端与半桥式结构的桥接端132连接，并通过半桥式结构的第一输出端131与运动平台110连接，并且一级压电陶瓷121和二级压电陶瓷122分别严格布置在半桥式结构的中央且与保持垂直设置。进一步地，所述桥式放大结构130的放大系数在20倍左右。

当然，上述两级放大的微位移装置是属于一较佳例子，也可以采用两级以上的放大结构，实现不同场合的放大需求。采用异性弹簧组件150，极大的减小铰链关键处的最大应力以及提供较高的系统刚度，同时能有效提高位移平台的使用谐振频率，并且，能有效防止压电陶瓷受到的横向切应力，从而保证压电陶瓷正常使用。

优选地，所述半桥式结构的第一输出端131为圆弧形柔性铰链。柔性铰链(或称柔性枢轴、柔性轴承、十字弹簧轴承)是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心以及依靠在圆周径向均布的弹性薄片。柔性铰链的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形以及自动复位的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。所述柔性铰链主要分为直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链。本实用新型使用的是有较大的转动范围的圆弧型柔性铰链。

在本实施例中，所述微位移装置还包括设置在平台主体160与压电陶瓷之间的安装机构，所述安装机构包括安装压电陶瓷的挠性安装座141和对压电陶瓷提供预紧力的预紧顶丝142，挠性安装座141通过胶水(环氧树脂)粘接到压电陶瓷上，预紧顶丝142通过M3*0.75细螺纹与平台主体160连接。

进一步地，所述预紧顶丝142的预紧力为压电陶瓷产生最大推力的10％～20％。

在本实施例中，并参考图2，所述微位移装置还包括设置在平台主体160与运动平台110之间且用于提高运动平台110的谐振频率的异性弹簧组件150，所述异性弹簧组件150保证运动平台110输出位移一致并将微位移高度线性化。

其中，所述异性弹簧组件150与驱动组件120分别设置在平台主体160的两侧，能有效提高位移平台的使用谐振频率。

具体地，所述异性弹簧组件150包括多个依次连接的全桥式结构，所述全桥式结构包括全桥结构152和设置在全桥结构152两侧的第二输出端151，所述全桥式结构通过第二输出端151与相邻全桥式结构的第二输出端151连接，以及两个设置在最端边处的全桥式结构分别通过第二输出端151与平台主体160或运动平台110连接。

或者，两个相邻全桥式结构的第二输出端151结合形成输出端。

优选地，所述全桥式结构的第二输出端151也为圆弧形柔性铰链。

如图3和图4所示，本实用新型提供一种平台主体160的较佳实施例。

所述平台主体160的表面设有开口1611，所述运动平台110部分突出开口1611并向外延伸设置。

具体地，并参考图4，平台主体160包括下壳体162和上壳体161，下壳体162和上壳体161之间设有腔体，所述运动平台110、驱动组件120、桥式放大结构130和异性弹簧组件150均设置在腔体中，开口1611设置在上壳体161正中，运动平台110也设置在与开口1611位置对应的腔体内，并部分突出开口1611并向外延伸设置；以及，所述下壳体162和上壳体161通过通孔1612及螺钉实现固定。

优选地。所述平台主体160的材料为超硬铝、不锈钢、工具钢和殷钢中的一种。

在本实用新型中，提供一种微位移系统的较佳实施例。

一种微位移系统，所述微位移系统包括微位移装置，以及分别与微位移装置的压电陶瓷连接的控制单元，所述控制单元根据驱动命令发送分别驱动压电陶瓷工作。

具体地，一级电陶瓷121通过逆压电效应产生横向微位移，通过半桥式结构将位移成倍放大成轴向的输出位移，并将输出位移通过第一输出端131传递至二级压电陶瓷122，进一步地，二级压电陶瓷122通过逆压电效应产生横向微位移后与半桥式结构传递过来的位移叠加，再通过半桥式结构成倍放大成轴向的输出位移，再通过半桥式结构的第一输出端131将经过放大的输出位移传导至运动平台110，以及，经过异性弹簧组件150将位移高度线性化，从而得到高精度以及高一致性的位移。

进一步地，控制单元根据驱动命令发送分别驱动压电陶瓷通过逆压电效应产生横向微位移。

其中，控制单元可采用现有处理器或者专用处理芯片，甚至计算机进行控制。例如PLC数控系统。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微位移装置，其特征在于：所述微位移装置包括平台主体，以及设置在平台主体上的运动平台、用于驱动运动平台相对于平台主体进行微位移的驱动组件以及桥式放大结构，所述驱动组件包括至少两个依次连接的压电陶瓷，且任一相邻的所述压电陶瓷通过桥式放大结构连接，所述驱动组件与运动平台之间也通过桥式放大结构连接。

2.根据权利要求1所述的微位移装置，其特征在于：所述微位移装置还包括设置在平台主体与压电陶瓷之间的安装机构，所述安装机构包括安装压电陶瓷的挠性安装座和对压电陶瓷提供预紧力的预紧顶丝。

3.根据权利要求1所述的微位移装置，其特征在于：所述桥式放大结构采用半桥式结构，所述半桥式结构包括桥接端和第一输出端；所述半桥式结构分别通过桥接端与后一个压电陶瓷的一端连接，且通过第一输出端与前一个压电陶瓷的一端连接，所述半桥式结构分别通过桥接端与和运动平台邻近设置的压电陶瓷的一端连接，且通过第一输出端与运动平台连接。

4.根据权利要求3所述的微位移装置，其特征在于：所述半桥式结构的第一输出端为圆弧形柔性铰链。

5.根据权利要求1所述的微位移装置，其特征在于：所述平台主体的表面设有开口，所述运动平台部分突出开口并向外延伸设置。

6.根据权利要求1至5任一所述的微位移装置，其特征在于：所述微位移装置还包括设置在平台主体与运动平台之间且用于提高运动平台的谐振频率的异性弹簧组件，并且，所述异性弹簧组件与驱动组件分别设置在平台主体的两侧。

7.根据权利要求6所述的微位移装置，其特征在于：所述异性弹簧组件包括多个依次连接的全桥式结构，所述全桥式结构包括全桥结构和设置在全桥结构两侧的第二输出端，所述全桥式结构通过第二输出端与相邻全桥式结构的第二输出端连接，以及两个设置在最端边处的全桥式结构分别通过第二输出端与平台主体或运动平台连接。

8.根据权利要求7所述的微位移装置，其特征在于：所述全桥式结构的第二输出端为圆弧形柔性铰链。

9.根据权利要求1所述的微位移装置，其特征在于：所述平台主体的材料为超硬铝、不锈钢、工具钢和殷钢中的一种。

10.一种微位移系统，其特征在于：所述微位移系统包括如权利要求1-9任一所述的微位移装置，以及分别与微位移装置的压电陶瓷连接的控制单元，所述控制单元根据驱动命令发送分别驱动压电陶瓷工作。