CN220568059U - 一种微动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微动平台。该微动平台包括，若干位移检测装置，分别与平台基体、移动平台固定连接，检测移动平台的位移量；任一位移检测装置包括一个弹性件和至少一组沿弹性件长度方向分布的应变片；微驱动器，连接移动平台，输出伸缩运动，驱动移动平台运动。本实用新型提出的一种微动平台，结构简单易于装配，输出刚度高，承载能力大；该平台上设置以应变片—弹性件作为位移检测装置，实时检测移动平台的位移，且该装置安装方便，易于集成，还能降低设备成本。

Description

一种微动平台

技术领域

本实用新型涉及微定位平台领域，具体是一种微动平台。

背景技术

微动平台广泛应用于超精密加工、生物工程、微电子封装等精密定位领域，柔性铰链结构是利用构件局部变形而设计的一类弹性支撑，基于柔性铰链制作的微动平台具备运动无摩擦、响应速度快、定位精度高等特点。

技术的发展对微动平台的位移行程要求愈来愈高，提高微动平台的位移行程可采用运动范围更大的微驱动器，但会带来平台尺寸及整体造价成本的增加，通过设计柔性铰链布局对原始微驱动器输出进行放大的方法，成本低廉的同时可适用于对平台尺寸要求严苛的场合，微动平台在整个行程内的高定位精度要求决定了其需搭配位移检测单元来使用。

在位移检测方面，CN 102324253 B、CN 109140148 A、CN 110421532 A采用电容传感器来检测微动平台的位移，电容位移传感器不仅价格昂贵，同时传感器的安装精度要求较高。

实用新型内容

本实用新型提供一种微动平台及其位移放大方法、位移检测方法，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种微动平台，包括：

若干位移检测装置，分别与平台基体、移动平台固定连接，检测移动平台的位移量；任一位移检测装置包括一个弹性件和至少一组沿弹性件长度方向分布的应变片；

微驱动器，连接所述移动平台，输出伸缩运动，驱动所述移动平台运动。

进一步地，所述平台基体上设置有若干安装槽，所述安装槽设置在所述移动平台的外侧，用于固定所述位移检测装置在所述平台基体上。

进一步地，所述位移检测装置还包括应变测量单元，连接应变片，测量所述应变片应变产生的电阻变化，并转化为应变电信号。

进一步地，所述位移检测装置包括存储单元，连接应变测量单元，接收所述应变电信号，基于内部储存的电信号—位移信号对应信息，获得移动平台的位移量。

进一步地，所述位移检测装置还包括控制单元，连接存储单元，用于控制微驱动器的激励信号。

进一步地，还包括，预紧模块，紧靠位移检测装置，用于施加与移动平台移动方向相反的预紧力于位移检测装置，使得位移检测装置与移动平台之间紧密接触。

进一步地，所述预紧模块包括预紧件、垫片和弹性可压缩元件；其中垫片设置在预紧件与弹性可压缩元件之间，弹性可压缩元件的另一端与位移检测装置相接触。

进一步地，所述移动平台上还设置有位移传递结构，所述位移传递结构与位移检测装置固定连接，用于传递移动平台的位移传递至位移检测装置。

进一步地，还包括：位移放大模块，包括：一级放大机构、二级放大机构和三级放大机构；其中，一级放大机构的输出端与二级放大机构的输入端相连，二级放大机构的输出端与三级的输入端相连，三级的输出端与移动平台相连，形成三级位移放大机构。

进一步地，还包括：导向模块，设置在位移放大模块的输出端连接移动平台之间，承担移动平台的位移导向和支撑作用。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型以弹性件—应变片的组合作为位移检测装置，检测移动平台的位移，安装方便，易于集成，还降低了设备成本；同时位移检测装置还设置有控制单元，可精准控制微动平台的位移；

2.本实用新型中预紧模块采用预紧件—垫片—弹性可压缩元件的方式，给移动平台施加预紧力，同时可以保证弹性件与移动平台的可靠接触，提高系统的动态性能，提高位移检测装置的可靠性；

3.本实用新型提供一种微动平台，其平台基体采用一体化成型制作，结构简单、易于装配；

4.本实用新型的位移放大模块采用菱形放大机构—scott-russell放大机构—杠杆放大机构，采用合理布局，保证平台紧凑性，增加平台的承载能力，同时结合柔性铰链的使用，获得更高的行程；

附图说明

图1为本实用新型实施例1的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中位移检测装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中预紧模块的结构示意图；

图4为本实用新型实施例2的整体结构示意图；

图5为本实用新型实施例2的平台基体的平面图；

图6为图5中a处的放大示意图；

图7为本实用新型实施例3的整体结构示意图。

图中：1、平台基体；1-1、平台安装孔；1-2、位移放大模块；1-2-1、菱形放大机构；1-2-2、scott-russell放大机构；1-2-3、杠杆放大机构；1-3、导向模块；1-4、移动平台；1-5、位移传递结构；1-6、安装槽；1-7、通孔；2、微驱动器；3、位移检测装置；3-1、柔性板；3-1-1、柔性板左侧；3-1-2、柔性板右侧；3-2、应变片；4、预紧模块；4-1、预紧螺丝；4-2、垫片；4-3、弹簧；5、矩形框槽。

实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例提出一种微动平台，包括：平台基体1，作为微动平台运动、支撑的主体。本实施例中，平台基体1整体为对称式布局。

平台基体1通常安装于精密隔振装置上，以减少环境振动对微动平台位移的扰动。平台基体1采用一体化成型制作，如线切割、3D打印等。平台基体1设有若干直角、半圆型柔性铰链结构，允许局部发生弹性变形。

微驱动器2为压电驱动器、磁致伸缩驱动器、微型电机的一种，其输出为伸缩运动，用于驱动移动平台1-4移动。

本实施例中，平台基体1在水平方向和竖直方向各设置有一个微驱动器2。

柔性铰链贯穿平台基体1表面上下，沿竖直方向、水平方向对称设置围成矩形框槽5。微驱动器2安装在矩形框槽5内，微驱动器2两端分别抵在移动平台1-4的外侧。

移动平台1-4上设置位移传递结构1-5，用于将移动平台1-4的位移传递到位移检测装置3。优选地，位移传递结构1-5为凸台状，便于移动平台1-4与柔性板3-1连接。

若干个安装槽1-6，设置在移动平台1-4的外侧，用于放置位移检测装置3，使得位移检测装置3与平台基体1固定连接。优选地，本实施例中在平台基体1的上方设置有两个安装槽1-6，分别用于固定柔性板左侧3-1-1和柔性板左侧3-1-2，使得位移检测装置3可以检测移动平台1-4在竖直方向的位移量；同理，平台基体1左侧设置有两个安装槽1-6，用于固定连接位移检测装置3和平台基体1，使得位于平台基体1左侧的位移检测装置3可以检测移动平台1-4在水平方向的位移量。其中，竖直方向与水平方向相互垂直。

若干位移检测装置3，固定安装在安装槽1-6内，与平台基体1固定连接，用于检测移动平台1-4的位移。

优选地，位移检测装置3还可以布置于移动平台1-4的侧方、上方、下方中的任一处或任意组合，位移检测装置3的数量可增加至两个或以上。

如图2所示，位移检测装置3包括弹性体和至少包含一组沿弹性体的长度方向分布的应变片3-2。弹性体是可以发生弹性形变的结构，优选地，弹性体是长厚比＞2的板状结构或者具有弧度的弯曲梁结构。本实施例中弹性体为柔性板3-1，柔性板3-1为长厚比＞2的板状结构。

位移检测装置3，分别与平台基体1、移动平台1-4固定连接。本实施例中，平台基体1对应位置设有安装槽1-6，通过点胶方式将柔性板左侧3-1-1、柔性板右侧3-1-2分别与平台基体1固定连接。应变片3-2包含两组沿柔性板3-1长度方向分布的应变栅、两组沿柔性板3-1宽度方向分布的应变栅，对称布置在柔性板3-1表面，组成全桥测量回路，可以提高应变片3-2对应变的灵敏度。柔性板3-1的中部与移动平台1-4固定连接，其固定连接方式可以是，点胶固定，紧固件连接，如螺丝，或者通过一个或多个中间转接件相连。本实施例中，柔性板3-1的中部与位移传递结构1-5通过点胶固定连接。

位移检测装置3还包括应变测量单元、存储单元。应变片3-2外接应变测量单元，应变测量单元将应变栅变形导致的电阻变化转化为电信号。该电信号传输到存储单元，存储单元内储存有电信号—位移信号对应信息，换算后可获得移动平台1-4的位移量。特别地，位移检测装置3的存储单元连接有控制单元，用于改变微驱动器2的激励信号。

本实施例中一种微动平台的位移检测方法，具体如下：

位移检测装置3使用前至少经过一次标定流程，以在存储单元内写入电信号—位移信号对应信息。标定流程借助高精度位移传感器测量移动平台1-4的位移量，将采集位移量与应变测量单元的电信号变化的对应关系，处理所述对应关系，写入电信号—位移信号对应信息于存储单元，即标定结束。

应变片3-2外接应变测量单元，应变测量单元将应变栅变形导致的电阻变化转化为电信号。该电信号传输到存储单元，基于内部储存的电信号—位移信号对应信息，获得移动平台1-4的位移量。

此外，位移检测装置3的存储单元连接有控制单元，控制单元可以控制微驱动器2的激励信号，以改变移动平台1-4的运动状态及位移量。

预紧模块4紧靠位移检测装置3，用于施加与移动平台1-4移动方向相反的预紧力于位移检测装置3，使得位移检测装置3与移动平台1-4之间紧密接触。预紧模块4包括预紧件、垫片4-2和弹性可压缩元件。其中垫片4-2设置在预紧件与弹性可压缩元件之间，弹性可压缩元件的另一端与位移检测装置3相接触。

本实施例中，预紧模块4中，预紧件为预紧螺丝4-1，弹性可压缩元件为弹簧4-3。优选地，弹簧4-3可替换为蝶形弹簧、弹性垫圈等。

如图3所示，预紧螺丝4-1穿过平台基体1上开设的螺孔与垫片4-2一侧接触，垫片4-2另一侧设有弹簧4-3，弹簧4-3与位移检测装置3中的柔性板3-1相接触。当旋入预紧螺丝4-1时，弹簧4-3被压缩，施加给移动平台1-4以预紧力，预紧力的方向与移动平台1-4的位移方向相反。预紧模块4采用预紧螺丝—垫片—弹簧的方式，给移动平台1-4施加预紧力，同时可以保证柔性板3-1与移动平台1-4的可靠接触，提高系统的动态性能，提高位移检测装置3检测结果的可靠性。

本实施例中微动平台的工作原理为：

当给予微驱动器2一激励信号后，其在轴向方向上将会产生一定推力，矩形框槽5在推力的作用下发生变形，该变形促使了移动平台1-4沿着微驱动器2的驱动方向位移一定距离，移动平台1-4的位移进而对柔性板3-1产生拉力F。

因为柔性板3-1的长厚比>2，使得其刚度较低，在拉力F的作用下发生弯曲变形，沿长度方向发生拉伸应变，进而被设置在表面的应变片3-2感知，应变测量单元将应变栅变形导致的电阻变化转化为电信号。该电信号传输到存储单元，基于内部储存的电信号—位移信号对应信息，获得移动平台1-4的位移量，实现位移检测装置3实时检测移动平台1-4的位移量。

此外，通过位移检测装置3的控制单元，改变激励信号，从而使移动平台1-4的位移量达到期望值。

实施例2

如图4和图5所示，本实施例在实施例1的基础上，提出一种设置有位移放大模块1-2的微动平台。位移放大模块1-2用于放大微驱动器2的输出位移，并将输出位移传递到移动平台1-4，保证平台紧凑性的同时获得更高的行程。

优选地，平台基体1上设置有平台安装孔1-1，用于将平台基体1固定在精密隔振装置上。

本实施例中，移动平台1-4内部开设有一通孔1-7，用于穿过散热装置，使得散热装置与发热部件直接接触，提高散热效率。

移动平台1-4设置位移传递结构1-5，用于将移动平台1-4的位移传递到位移检测装置3。优选地，位移传递结构1-5为凸台状，便于移动平台1-4与位移检测装置3连接。位移检测装置3的具体结构及方法原理与实施例1中的位移检测装置3的结构及方法原理相同。

位移检测装置3配置有对应的预紧模块4。预紧模块4紧靠位移检测装置3，用于施加与移动平台1-4移动方向相反的预紧力于位移检测装置3，使得位移检测装置3与移动平台1-4之间紧密接触。预紧模块4的具体结构与方法原理与实施例1中的预紧模块4的结构及方法原理相同。

平台基体1上还设置有位移放大模块1-2。位移放大模块1-2，包括：一级放大机构、二级放大机构和三级放大机构；其中，一级放大机构的输出端与二级放大机构的输入端相连，二级放大机构的输出端与三级的输入端相连，三级的输出端与移动平台相连，形成三级位移放大机构。

本实施例中，一级放大机构为菱形放大机构1-2-1，二级放大机构为scott-russell放大机构1-2-2，三级放大机构为杠杆放大机构1-2-3。位移放大模块1-2中各放大机构之间的连接关系为：菱形放大机构1-2-1的输出端与scott-russell放大机构1-2-2的输入端相连，scott-russell放大机构1-2-2的输出端与杠杆放大机构1-2-3的输入端相连，杠杆放大机构1-2-3的输出端与移动平台1-4相连，形成三级位移放大机构。

本实施例中，位移放大模块1-2为对称式布局。位移放大模块1-2包含1个菱形放大机构1-2-1、2个scott-russell放大机构1-2-2、2个杠杆放大机构1-2-3。菱形放大机构1-2-1的两侧输出端分别与scott-russell放大机构1-2-2的输入端相连，scott-russell放大机构1-2-2的输出端与杠杆放大机构1-2-3的输入端相连，杠杆放大机构1-2-3的输出端与移动平台1-4相连，从而形成三级位移放大机构。

一种微动平台的位移放大方法，通过设置位移放大模块1-2，分别连接微驱动器2和移动平台1-4，实现移动平台1-4的位移放大。位移放大模块1-2为一级放大机构、二级放大机构和三级放大机构，具体放大方法包括：通电后，微驱动器2输出位移至一级放大机构；经一级放大机构一级放大，传递一级放大位移至二级放大机构；

经二级放大机构二级放大，传递二级放大位移至三级放大机构；

经三级放大机构三级放大，传递三级放大位移至移动平台1-4，使得移动平台1-4按照三级放大位移，进行移动；

其中，微驱动器2输出的位移，在所述三个放大机构相互之间及各放大机构内部均柔性地传递。

本实施例中基于菱形放大机构—scott-russell放大机构—杠杆放大机构的平面三级放大机构，实现微动平台的位移放大方法，具体如下：

本实施例中，考虑位移放大模块1-2为对称式布局，取其一侧进行方法说明。如图6和图7所示，P为位移输入端，与微驱动器2的输出端连接。由于微驱动器2的输出为伸缩运动，位移输入端P的位移沿y方向。与微驱动器2相连接的位移放大模块1-2由柔性铰链构成，本实施例中通过各柔性铰链的节点的位移变化说明位移放大的过程及方法。A至J代表柔性铰链节点，柔性铰链在外力作用下的变形，将带动节点A至J发生扭转、平移。其中，节点A、B、C为菱形放大机构1-2-1的柔性铰链节点，节点B连接scott-russell放大机构1-2-2的节点D，节点D、E、F、G为scott-russell放大机构1-2-2的柔性铰链节点，节点G连接杠杆放大机构1-2-3的节点H，节点H、I、J为杠杆放大机构1-2-3的柔性铰链节点。上述节点中，节点B、D、G、H、J为直角型柔性铰链节点，其余节点均为半圆型柔性铰链节点。

具体方法如下：通电后，微驱动器2产生y方向的一个微小位移，使菱形放大机构1-2-1长轴伸长，短轴缩短，其中短轴缩短量大于长轴伸长量，此为第一级位移放大；菱形放大机构1-2-1的短轴缩短量，由节点BD之间的柔性铰链传递至scott-russell放大机构1-2-2。其中，x方向与y方向相互垂直。

scott-russell放大结构1-2-2受到节点BD之间的柔性铰链传递的x方向的作用力，带动GD移动，使得GD与BD之间的夹角产生变化，实现第二级位移放大；同时将D点输入的x方向的位移转化为y方向的运动，即G点输出y方向的运动，改变scott-russell放大结构1-2-2的输入端的运动方向；由G点传递二级放大位移至杠杆放大机构1-2-3。

杠杆放大机构1-2-3中HG沿y方向位移，以H点为支点绕动，其长力臂末端在y方向上的位移大于上一级短轴的输出位移，J点输出位移，由此，通过杠杆原理实现了位移的第三级放大。

其中，微驱动器2输出的位移，在所述三级放大机构相互之间及各放大机构内部均柔性地传递。

在位移放大机构设计上，先通过刚性构件的设计方法，构建机构运动简图，确保刚性机构的运动传递的正确性，其次选择合适的柔性铰链替换刚性构件，从而完成柔性放大机构的设计。因此采用合理布局，使用三级放大机构结合柔性铰链的使用，保证平台紧凑性的同时获得更高的行程。

位移放大模块1-2的输出端连接移动平台1-4，移动平台1-4两侧对称设有若干直梁，直梁连接移动平台1-4与平台基体1，形成导向模块1-3。导向模块1-3，承担移动平台1-4的位移导向和支撑作用。导向模块1-3为直梁型结构，通过直角型柔性铰链分别与移动平台4、平台基体1的外框相连。

优选地，导向模块1-3结构形式为平行四杆结构，使得移动平台1-4输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

本实施例中一种微动平台的使用原理为：

当给予微驱动器2以激励信号时，其对位移放大模块1-2产生推力和位移。

位移放大模块1-2中，菱形放大机构1-2-1的输入端与微驱动器2相连接，接收该位移。菱形放大机构1-2-1长轴伸长，短轴缩短，其中短轴缩短量大于长轴伸长量，此为第一级位移放大；菱形放大机构1-2-1的短轴缩短量，由节点BD之间的柔性铰链传递至scott-russell放大机构1-2-2。

scott-russell放大结构1-2-2受到节点BD之间的柔性铰链传递的x方向的作用力，带动GD移动，使得GD与BD之间的夹角β产生变化，实现第二级位移放大；同时将D点输入的x方向的位移转化为y方向的运动，即G点输出y方向的运动，改变scott-russell放大结构1-2-2的输入端的运动方向；由G点传递二级放大位移至杠杆放大机构1-2-3。

杠杆放大机构1-2-3中HG在y方向位移下，以H点为支点绕动，其长力臂末端在y方向上的位移大于上一级短轴的输出位移，J点输出位移，由此，通过杠杆原理实现了位移的第三级放大。

该位移经位移放大模块1-2的多级位移放大后传递到移动平台1-4，移动平台1-4的位移进而对柔性板3-1产生拉力F。

因为柔性板3-1的长厚比>2，使得其刚度较低，在拉力F的作用下发生弯曲变形，沿长度方向发生拉伸应变，进而被设置在表面的应变片3-2感知，应变测量单元将应变栅变形导致的电阻变化转化为电信号。该电信号传输到存储单元，基于内部储存的电信号—位移信号对应信息，获得移动平台1-4的位移量。

此外，位移检测装置3的存储单元连接有控制单元，控制单元可以改变微驱动器2的激励信号，以改变移动平台1-4的运动状态及位移量。

实施例3

如图7所示，本实施例在实施例2的基础上，提出一种水平方向和竖直方向均可以发生位移的微动平台。

本实施例中，平台基体1在水平方向和竖直方向均设置有一个微驱动器2、一个位移放大模块1-2和一个位移检测装置3，使其完成该方向上的位移放大及位移检测。

本实施例中任一位移放大模块1-2包括：1个菱形放大机构1-2-1、2个scott-russell放大机构1-2-2、2个杠杆放大机构1-2-3。菱形放大机构1-2-1的两侧输出端分别与scott-russell放大机构1-2-2的输入端相连，scott-russell放大机构1-2-2的输出端与杠杆放大机构1-2-3的输入端相连，杠杆放大机构1-2-3的输出端与移动平台1-4相连，从而形成三级位移放大机构。其具体结构及方法原理与实施例2相同。

本实施例中任一位移检测装置3的具体结构及方法原理与实施例1中的位移检测装置3的结构及方法原理相同。

其中，水平方向或竖直方向上的位移检测装置3均配置有预紧模块4。预紧模块4紧靠位移检测装置3，用于施加与移动平台1-4移动方向相反的预紧力于位移检测装置3，使得位移检测装置3与移动平台1-4之间紧密接触。预紧模块4的具体结构与方法原理与实施例1中的预紧模块4的结构及方法原理相同。

移动平台1-4在竖直方向和水平方向均设置位移传递结构1-5，用于将移动平台1-4的位移传递到位移检测装置3。优选地，位移传递结构1-5为凸台状，便于移动平台1-4与位移检测装置3连接。

本实施例与实施例2中微动平台的区别在于：本实施例中移动平台1-4可以发生水平方向和竖直方向的位移，在其水平方向和竖直方向上均设置有配套的微驱动器2、位移放大模块1-2、位移检测装置3和预紧模块4。此外，水平方向和竖直方向的配套设置同时对移动平台1-4的移动方向和移动方式发生限制，使得移动平台1-4在设定方向内只能产生设定位移量的平动位移，因此，平台基体1中移动平台1-4外侧无需设置导向模块。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微动平台，其特征在于，包括：

若干位移检测装置，分别与平台基体、移动平台固定连接，检测移动平台的位移量；任一位移检测装置包括一个弹性件和至少一组沿弹性件长度方向分布的应变片；

微驱动器，连接所述移动平台，输出伸缩运动，驱动所述移动平台运动。

2.根据权利要求1所述的微动平台，其特征在于，所述平台基体上设置有若干安装槽，所述安装槽设置在所述移动平台的外侧，用于固定所述位移检测装置在所述平台基体上。

3.根据权利要求1所述的微动平台，其特征在于，所述位移检测装置还包括应变测量单元，连接应变片，测量所述应变片应变产生的电阻变化，并转化为应变电信号。

4.根据权利要求3所述的微动平台，其特征在于，所述位移检测装置包括存储单元，连接应变测量单元，接收所述应变电信号，基于内部储存的电信号—位移信号对应信息，获得移动平台的位移量。

5.根据权利要求4所述的微动平台，其特征在于，所述位移检测装置还包括控制单元，连接存储单元，用于控制微驱动器的激励信号。

6.根据权利要求1所述的微动平台，其特征在于，还包括，预紧模块，紧靠位移检测装置，用于施加与移动平台移动方向相反的预紧力于位移检测装置，使得位移检测装置与移动平台之间紧密接触。

7.根据权利要求6所述的微动平台，其特征在于，所述预紧模块包括预紧件、垫片和弹性可压缩元件；其中垫片设置在预紧件与弹性可压缩元件之间，弹性可压缩元件的另一端与位移检测装置相接触。

8.根据权利要求1所述的微动平台，其特征在于，所述移动平台上还设置有位移传递结构，所述位移传递结构与位移检测装置固定连接，用于传递移动平台的位移传递至位移检测装置。

9.根据权利要求1所述的微动平台，其特征在于，还包括：位移放大模块，包括：一级放大机构、二级放大机构和三级放大机构；其中，一级放大机构的输出端与二级放大机构的输入端相连，二级放大机构的输出端与三级的输入端相连，三级的输出端与移动平台相连，形成三级位移放大机构。

10.根据权利要求9所述的微动平台，其特征在于，还包括：导向模块，设置在位移放大模块的输出端连接移动平台之间，承担移动平台的位移导向和支撑作用。