CN213547392U - 一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构，包括菱形位移放大机构和阻尼增强导向机构，所述菱形位移放大机构内嵌有多层叠堆压电陶瓷，所述阻尼增强导向机构包括两根相互对称设置的导向梁，所述菱形位移放大机构的一端固定，其另一端分别与两根导向梁的一端相连，两根导向梁的另一端固定，所述导向梁的表面一及表面二分别粘贴至少一片压电陶瓷片，表面一及表面二为相对面。本实用新型减少了自由层阻尼或约束层阻尼所引起的系统非共振区能量的损耗，从而保证了压电驱动柔顺机构的运动敏捷性。

Description

一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构

技术领域

本实用新型涉及自动控制领域，具体涉及一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构。

背景技术

随着集成电路技术的快速发展，尤其是5G芯片需求的到来，芯片制造工艺越来越受关注。光刻机是芯片制造工艺不可或缺的关键精密设备，其纳米精密定位的核心在于纳米精密定位平台。而柔顺机构是纳米精密定位平台的核心构件，其基于压电驱动的动力学特性会直接限制平台的运动控制带宽。因为由控制理论可知，二阶动力学模型的最大控制带宽小于固有频率与阻尼比的乘积的两倍，且压电驱动柔顺机构的最大带宽通常不超过其一阶固有频率的2％(柔顺机构的阻尼比一般为0.01量级)。而基于柔顺机构的纳米精密定位平台，其末端平台常常采用柔性导向机构，以保证纳米精密定位平台的运动定位精度与输出方向性。因此，通常将导向机构的导向刚度设计足够大同时也将导向机构的质量设计足够小，即尽可能以更大的低阶固有频率来保证柔性导向机构的导向运动控制带宽。但是基于压电驱动柔顺机构的多层叠堆压电陶瓷的驱动能力有限以及刚度/输出位移关系的矛盾等限制了该设计思想的推广应用。显然，提高阻尼比即增强柔性导向机构的阻尼是另一种更好的选择。

目前所研究的阻尼方法主要包括主动阻尼和被动阻尼两种。对于主动阻尼，国内外研究者先后提出了多种固定结构/低阶和复杂结构的主动阻尼控制律，其中固定结构/低阶控制律有的对系统动力学特性变化的适应性较差，有的会损失部分压电驱动能力。而复杂结构控制律的控制算法相对较复杂，会影响柔顺机构的闭环控制带宽。对于被动阻尼，常见的被动阻尼主要包括自由层阻尼、约束层阻尼以及压电分流阻尼等，其中自由层阻尼和约束层阻尼虽然能够较好地适应系统的动力学特性的变化，但其宽频特性会引起系统非共振区能量的损耗，从而降低了压电驱动柔顺机构的运动敏捷性。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增加柔性导向机构。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构，包括，菱形位移放大机构和阻尼增强导向机构，所述菱形位移放大机构内嵌有多层叠堆压电陶瓷，所述阻尼增强导向机构包括两根相互对称的导向梁，所述菱形位移放大机构的一端固定，其另一端分别与两根导向梁的一端相连，两根导向梁的另一端固定，所述导向梁的表面一及表面二分别粘贴至少一片压电陶瓷片，表面一及表面二为相对面。

进一步，所述多层叠堆压电陶瓷是由多片压电陶瓷片级联构成，即通过压电层和电极层的交错堆叠形成压电层串联、电极层并联的连接形式。

进一步，所述压电陶瓷片由上极板、压电材料及下极板构成。

进一步，所述压电陶瓷片的上极板和下极板分别外接压电分流电路构成回路。

进一步，所述压电分流电路包括导线、电阻和电感。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所使用的阻尼增强技术为被动阻尼，即无需外加电源和控制系统就可以使机构产生阻尼，从而能有效地达到机构阻尼增强的目的。

本实用新型减少了自由层阻尼或约束层阻尼所引起的系统非共振区能量的损耗，从而保证了压电驱动柔顺机构的运动敏捷性。

本实用新型制造工艺简单、成本低廉，所用的压电陶瓷片购买方便以及粘贴简单。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整个机构的俯视结构示意图；

图2为本实用新型实施例的整个机构的三维结构示意图；

图3为本实用新型实施例的单根梁变形后的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的压电陶瓷片的压电分流电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2和图3所示，一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构，主要包括菱形位移放大机构2和阻尼增强导向机构两部分。所述菱形位移放大机构2内嵌有多层叠堆压电陶瓷1，所述阻尼增强导向机构包括两根相互对称的导向梁3，本实例中的柔性梁为矩形，两根导向梁3的上表面及下表面分别粘贴两块压电陶瓷片4。所述多层叠堆压电陶瓷1是将多片陶瓷压电片级联而成的一种驱动器，即通过压电层和电极层的交错堆叠形成压电层串联、电极层并联的连接形式，能够在现有机载驱动器条件下，产生比单层压电陶瓷更大的位移。

所述压电陶瓷片可以是压电晶体、压电纤维和压电聚合物。

所述柔性导向机构主要用于柔顺机构的导向部分以起导向作用。

具体设置方式为：

所述菱形位移放大机构2的一端固定，其另一端与两根导向梁3的一端相连，导向梁的另一端固定。所述导向梁3的上表面031和下表面032分别粘贴两块压电陶瓷片4，四块压电陶瓷片对称设置，所述压电陶瓷片4与外压电分流电路相连。

其工作流程为：

所述多层叠堆压电陶瓷1在控制系统的作用下产生微小位移，然后经过菱形位移放大机构2放大后从输出端输出以带动左右两根导向梁3发生变形，接着导向梁3上的压电陶瓷片4随着导向梁3的变形而变形。所述压电陶瓷片4由于变形而产生压电效应以形成电流，所形成的电流再经过外压电分流电路后产生逆压电效应，从而使得柔性导向梁的阻尼增强。

本实施例中的控制系统可指由PI控制器组成的系统或由IRC控制器组成的系统等。

如图4所示，所述压电陶瓷片4由上极板041、压电材料042和下极板043构成，所述压电材料042是一种具有高介电常数、低耗散和宽响应频域特性、压电性的功能材料。

所述压电陶瓷片的工作原理为：

当导向梁3受力变形时，会拉伸或压缩粘贴在导向梁3表面上的压电陶瓷片4。压电陶瓷片4本身在受外力而发生变形时，其自身内部的压电材料042会产生极化现象，并在压电陶瓷片4的上极板041和下极板043产生正负相反的电荷，即产生压电效应。当在压电陶瓷片4的上极板041和下极板043上外接一个压电分流电路时，即接电阻R和电感L时，压电陶瓷片4两块极板上的极性相反的电荷就会经过压电分流电路，产生电荷转移，从而形成电流。与此同时压电陶瓷片4的两块极板上的电压会产生变化，而变化的电压又会在负载电阻R和电感L的作用下产生逆压电效应，反过来对导向梁3产生一个阻碍力的作用，从而限制导向梁3的运动，增加导向梁的阻尼，最终使得整个柔性导向机构的阻尼增强。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于柔顺机构的压电分流阻尼增强柔性导向机构，其特征在于，包括，菱形位移放大机构和阻尼增强导向机构，所述菱形位移放大机构内嵌有多层叠堆压电陶瓷，所述阻尼增强导向机构包括两根相互对称设置的导向梁，所述菱形位移放大机构的一端固定，其另一端分别与两根导向梁的一端相连，两根导向梁的另一端固定，所述导向梁的表面一及表面二分别粘贴至少一片压电陶瓷片，表面一及表面二为相对面。

2.根据权利要求1所述的压电分流阻尼增强柔性导向机构，其特征在于，所述多层叠堆压电陶瓷是由多片压电陶瓷片级联构成，即通过压电层和电极层的交错堆叠形成压电层串联、电极层并联的连接形式。

3.根据权利要求2所述的压电分流阻尼增强柔性导向机构，其特征在于，所述压电陶瓷片由上极板、压电材料及下极板构成。

4.根据权利要求3所述的压电分流阻尼增强柔性导向机构，其特征在于，压电陶瓷片的上极板和下极板分别外接压电分流电路构成回路。

5.根据权利要求4所述的压电分流阻尼增强柔性导向机构，其特征在于，所述压电分流电路包括导线、电阻和电感。

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