大行程納米定位平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大行程納米定位平臺，其包括本體、形成于本體中的放大機構(gòu)、以及壓電陶瓷，放大機構(gòu)包括：分別位于矩形的四個頂點的第一鉸鏈點、第二鉸鏈點、第三鉸鏈點、第四鉸鏈點，第二鉸鏈點、第三鉸鏈點上方為放大機構(gòu)的運動平臺，第一鉸鏈點、第二鉸鏈點一側(cè)為放大機構(gòu)的放大邊，放大邊中安裝有預(yù)緊頂絲；本體上安裝有底蓋板，壓電陶瓷設(shè)置于本體內(nèi)部，壓電陶瓷一端與底蓋板固定連接，另一端通過滾珠與預(yù)緊頂絲相抵靠，滾珠安裝于所述預(yù)緊頂絲中。本發(fā)明的大行程納米定位平臺依靠壓電陶瓷驅(qū)動電源的電壓激勵，實現(xiàn)壓電陶瓷的納米級微位移形變，同時通過放大機構(gòu)對上述納米級微位移進行放大來實現(xiàn)大行程、無間隙、無耦合的位移傳動。
【專利說明】大行程納米定位平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種大行程納米定位平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米技術(shù)的興起和迅猛發(fā)展，基于壓電驅(qū)動的納米級微定位技術(shù)已成為微機電系統(tǒng)、掃描探測顯微鏡、超精密加工、細胞操作等諸多前沿技術(shù)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。
[0003]其中，壓電陶瓷驅(qū)動器是近幾年發(fā)展起來的新型微位移器件，它以體積小、驅(qū)動力大、分辨率高、易于控制等優(yōu)點作為驅(qū)動元件在精密機械當中得到廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來工作的，僅依靠外加電場的大小就能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動。壓電陶瓷克服了以往機械式、液壓式、氣動式、電磁式等執(zhí)行器慣性大、響應(yīng)慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等不足，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、無機械摩擦、無間隙、分辨率高、響應(yīng)快、無發(fā)熱、不受磁場干擾、可在低溫，真空環(huán)境下使用等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于微定位技術(shù)中，這種可控的精密微位移執(zhí)行器必將在今后諸多【技術(shù)領(lǐng)域】中發(fā)揮難以估量的作用。例如，將壓電陶瓷驅(qū)動器應(yīng)用于精密定位平臺中，作為精密定位平臺的驅(qū)動裝置。
[0004]雖然壓電陶瓷驅(qū)動器具有高精密位移輸出的優(yōu)點，但同時其輸出位移相當微小，不能滿足有較大微位移輸出要求的應(yīng)用場合，在實際應(yīng)用中常常需要將壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移進行放大，以滿足大行程高精確定位的需要。
[0005]因此，需要放大機構(gòu)對壓電陶瓷的輸出位移進行放大。目前根據(jù)對壓電陶瓷位移放大方式的不同，精密定位平臺主要分為直接驅(qū)動式、杠桿放大式、和橢圓放大式、及菱形放大式精密定位平臺。其中杠桿放大式精密定位平臺的主要目的是將壓電陶瓷的運動范圍進行放大，通過杠桿放大原理，以及具有旋轉(zhuǎn)副的柔性鉸鏈機構(gòu)實現(xiàn)沿支點的旋轉(zhuǎn)，通過杠桿機構(gòu)進行放大，其放大倍數(shù)可以達到2-3倍，使得由壓電陶瓷驅(qū)動的精密定位平臺的運動范圍有效地提高。但是在運動范圍放大的同時，也由于杠桿式放大存在微小的角度變化，因此會對最終實現(xiàn)的放大位移帶來微小的角度誤差。
[0006]橢圓放大式和菱形放大式精密定位平臺采用壓桿失穩(wěn)原理實現(xiàn)運動放大，運動放大機構(gòu)基于材料力學中的壓桿失穩(wěn)原理設(shè)計而成。當壓電陶瓷伸長時，機構(gòu)兩端受到由內(nèi)向外的推力，圓弧形薄壁殼的曲率發(fā)生變化，其弧面最高點發(fā)生向下移動，向下的位移量比陶瓷自身的伸長位移要大得多，即位移被放大。但此類機構(gòu)圓弧處應(yīng)力較大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。
[0007]因此，針對上述問題，有必要提供一種改良的精密定位平臺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種大行程納米定位平臺，其能夠解決目前在精密定位裝置中體積過大、行程過小、定位精度達不到要求、響應(yīng)時間慢等問題。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種大行程納米定位平臺，其包括本體、形成于所述本體中的放大機構(gòu)、以及壓電陶瓷，[0010]所述放大機構(gòu)包括:分別位于矩形的四個頂點的第一鉸鏈點、第二鉸鏈點、第三鉸鏈點、第四鉸鏈點，所述第二鉸鏈點、第三鉸鏈點上方為放大機構(gòu)的運動平臺，所述第一鉸鏈點、第二鉸鏈點一側(cè)為放大機構(gòu)的放大邊，所述放大邊中安裝有預(yù)緊頂絲，且所述預(yù)緊頂絲安裝于所述第一鉸鏈點上方，且臨近所述第一鉸鏈點位置處；
[0011]所述本體上安裝有底蓋板，所述壓電陶瓷設(shè)置于所述本體內(nèi)部，所述壓電陶瓷一端與所述底蓋板固定連接，另一端通過滾珠與預(yù)緊頂絲相抵靠，所述滾珠安裝于所述預(yù)緊頂絲中。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述預(yù)緊頂絲的數(shù)量為兩個，所述兩個預(yù)緊頂絲的安裝螺紋的螺紋方向的方向相反。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述安裝螺紋為M4*0.35型細牙螺紋。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述滾珠通過過盈配合的方式安裝于所述預(yù)緊頂絲中。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓電陶瓷在電壓的作用下具有伸長量Sx，所述伸長量Sx經(jīng)所述放大機構(gòu)放大后，所述運動平臺的位移量為X，定義C=X/Sx，所述C的范圍為7 ?14。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓電陶瓷的兩端分別粘帖有鎢鋼片，所述底蓋板上形成有與所述一端的鎢鋼片相配合的凹槽，所述相應(yīng)端的鎢鋼片卡合于所述凹槽中，另一端的鎢鋼片與所述滾珠相抵靠。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，所述放大機構(gòu)與所述本體一體成型。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，所述本體和放大機構(gòu)的材質(zhì)為超硬鋁。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的大行程納米定位平臺依靠壓電陶瓷驅(qū)動電源的電壓激勵，實現(xiàn)壓電陶瓷的微位移形變，從而實現(xiàn)納米定位。同時通過放大機構(gòu)對上述納米級微位移進行放大，從而實現(xiàn)大行程、無間隙、無耦合的傳動。
[0021]此外，本發(fā)明的大行程納米定位平臺結(jié)構(gòu)緊湊，放大比例大，加工方便，靈敏度高，線性度好，可以有效的減少放大過程中的耦合誤差。本發(fā)明的大行程納米定位平臺還具有成本較低，其壓電陶瓷帶動放大機構(gòu)運動的同時不存在摩擦力，且安裝固定時損壞機率減小的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本發(fā)明的大行程納米定位平臺一【具體實施方式】的平面示意圖；
[0024]圖2為圖1中大行程納米定位平臺的剖視圖；
[0025]圖3為本發(fā)明的大行程納米定位平臺的放大機構(gòu)的運動狀態(tài)示意圖，其中F代表作用力，B代表作用力的作用點，X代表運動平臺的位移；
[0026]圖4為圖1中底蓋板的平面示意圖?！揪唧w實施方式】
[0027]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0028]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的大行程納米定位平臺100包括本體10、形成于上述本體10中的放大機構(gòu)20、以及壓電陶瓷30。其中，本體10上開設(shè)有用于固定的螺紋孔和通孔101。上述放大機構(gòu)20包括:分別位于矩形的四個頂點的第一鉸鏈點201、第二鉸鏈點202、第三鉸鏈點203、第四鉸鏈點204。上述第一鉸鏈點201和第四鉸鏈點204為純滾動點，第二鉸鏈點202和第三鉸鏈點203上形成有放大機構(gòu)20的運動平臺21，該運動平臺21上設(shè)置有用于安裝運動件的連接螺紋。上述第一鉸鏈點201和第二鉸鏈點202 —側(cè)為放大機構(gòu)20的放大邊22，該放大邊22中安裝有預(yù)緊頂絲40。
[0029]預(yù)緊頂絲40不僅可對上述壓電陶瓷30提供預(yù)緊力，而且從預(yù)緊頂絲40處可傳遞對放大機構(gòu)20的作用力。上述預(yù)緊頂絲40可安裝于第一鉸鏈點201上方，且臨近上述第一鉸鏈點201位置處。上述預(yù)緊頂絲的數(shù)量為兩個，且兩個預(yù)緊頂絲的與本體相配合的安裝螺紋的螺紋方向相反，如此可防止預(yù)緊頂絲安裝后發(fā)生松動。此外，上述安裝螺紋為M4*0.35型細牙螺紋，通過該細牙螺紋可消除預(yù)緊頂絲與本體之間的安裝間隙，且可通過預(yù)緊頂絲進行微調(diào)。
[0030]配合參照圖3所示，當在B處對放大機構(gòu)施加作用力F時，B處產(chǎn)生位移Sx，從而運動平臺可獲得一較大的位移X。定義Sx與X的比值為位移輸出比C，即C=Sx/X。該位移輸出比C可用于衡量放大機構(gòu)的放大倍數(shù)，本實施中的放大機構(gòu)的位移輸出比C的范圍在7?14時，具有較優(yōu)的放大倍數(shù)。上述位移輸出比C的具體數(shù)值，可通過預(yù)緊頂絲的安裝位置進行調(diào)節(jié)，從而使放大機構(gòu)具有較優(yōu)的位移輸出比。
[0031]如圖4所示，上述壓電陶瓷30作為大行程納米定位平臺的驅(qū)動裝置，其設(shè)置于本體10內(nèi)部，本實施方式中壓電陶瓷優(yōu)選為鋯鈦酸鉛。上述壓電陶瓷30—端與本體10的底蓋板50固定連接，另一端通過滾珠60與預(yù)緊頂絲40相抵靠，上述滾珠60安裝于上述預(yù)緊頂絲40中。優(yōu)選地，上述滾珠60通過過盈配合的方式安裝于上述預(yù)緊頂絲40中，從而使二者能夠緊密的配合。壓電陶瓷的屏蔽線通過底蓋板50上的孔洞501穿出。當壓電陶瓷在外界電壓下產(chǎn)生一伸長量時，其可對預(yù)緊頂絲施加一作用力，使放大機構(gòu)預(yù)緊頂絲位置處產(chǎn)生相應(yīng)的位移，該位移經(jīng)放大機構(gòu)放大后使運動平臺產(chǎn)生一更大的位移。從而，上述位移輸出比C也等于壓電陶瓷的伸長量與運動平臺的位移量的比值。此外，在壓電陶瓷40通過預(yù)緊頂絲40傳遞驅(qū)動力的同時，預(yù)緊頂絲40可對壓電陶瓷40提供預(yù)緊力，以防止壓電陶瓷安裝后發(fā)生松動。
[0032]進一步地，上述壓電陶瓷30的兩端分別粘帖有鎢鋼片70，粘帖時，可采用環(huán)氧膠將二者粘帖在一起。上述底蓋板50上形成有與上述一端的鎢鋼片70相配合的凹槽502，上述相應(yīng)端的鎢鋼片70卡合于上述凹槽502中，另一端的鎢鋼片70與上述滾珠60相抵靠。當調(diào)節(jié)預(yù)緊頂絲40對壓電陶瓷30提供預(yù)緊力時，預(yù)緊力可通過滾珠60傳遞至鎢鋼片70上，由于鎢鋼片70具有較高的硬度，施加的預(yù)緊力可均勻的作用在壓電陶瓷30上，從而提供均勻的預(yù)緊力。此外，滾珠60與鎢鋼片70之間為點面接觸，即產(chǎn)生運動高副，其好處在于即使預(yù)緊頂絲安裝于放大邊后不與壓電陶瓷的端面相垂直，也可保證壓電陶瓷不會受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保護的壓電陶瓷，減少了壓電陶瓷的損耗。
[0033]進一步地，上述放大機構(gòu)20與本體10為一體成型，即放大機構(gòu)由本體經(jīng)過數(shù)控銑、鉆和線切割等工藝加工形成自身連接的整體。如此設(shè)置，結(jié)構(gòu)緊湊，且當外形尺寸受限且壓電陶瓷確定的情況下，能夠獲得更大的位移輸出比，避免了傳動中的空程和摩擦等約束對其精度的影響。
[0034]本發(fā)明的放大機構(gòu)20為柔性機構(gòu)，相應(yīng)的第一鉸鏈點201、第二鉸鏈點202、第三鉸鏈點203、第四鉸鏈點204為柔性鉸鏈點。如此，壓電陶瓷帶動柔性鉸鏈運動的同時不存在摩擦力，安裝固定時損壞機率減小，成本減小，并且便于大行程納米定位平臺的固定與連接。本發(fā)明的柔性機構(gòu)的彈性變形和輸出力與材料的彈性模量E以及其屈服極限Sy成正t匕，為了增大柔性鉸鏈的運動范圍，在一定程度上來說，所選柔性鉸鏈材料的彈性模量E以及屈服極限Sy愈大愈好，但同時必須滿足以下要求1、柔性鉸鏈點具有最大變形時的恢復(fù)力要小于壓電陶瓷的最大驅(qū)動力；2、柔性鉸鏈點最大變形時的最大應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力。綜合以上因素，上述本體和放大機構(gòu)的材質(zhì)優(yōu)選為超硬鋁。
[0035]綜上所述，本發(fā)明的大行程納米定位平臺依靠壓電陶瓷驅(qū)動電源的電壓激勵，實現(xiàn)壓電陶瓷的微位移形變，從而實現(xiàn)納米定位。同時通過放大機構(gòu)對上述納米級微位移進行放大，從而實現(xiàn)大行程、無間隙、無耦合的傳動。
[0036]此外，本發(fā)明的大行程納米定位平臺結(jié)構(gòu)緊湊，放大比例大，加工方便，靈敏度高，線性度好，可以有效的減少放大過程中的耦合誤差。本發(fā)明的大行程納米定位平臺還具有成本較低，其壓電陶瓷帶動放大機構(gòu)運動的同時不存在摩擦力，且安裝固定時損壞機率減小的優(yōu)點。
[0037]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0038]此外，應(yīng)當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種大行程納米定位平臺，其包括本體、形成于所述本體中的放大機構(gòu)、以及壓電陶瓷，其特征在于， 所述放大機構(gòu)包括:分別位于矩形的四個頂點的第一鉸鏈點、第二鉸鏈點、第三鉸鏈點、第四鉸鏈點，所述第二鉸鏈點、第三鉸鏈點上方為放大機構(gòu)的運動平臺，所述第一鉸鏈點、第二鉸鏈點一側(cè)為放大機構(gòu)的放大邊，所述放大邊中安裝有預(yù)緊頂絲，且所述預(yù)緊頂絲安裝于所述第一鉸鏈點上方，且臨近所述第一鉸鏈點位置處； 所述本體上安裝有底蓋板，所述壓電陶瓷設(shè)置于所述本體內(nèi)部，所述壓電陶瓷一端與所述底蓋板固定連接，另一端通過滾珠與預(yù)緊頂絲相抵靠，所述滾珠安裝于所述預(yù)緊頂絲中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述預(yù)緊頂絲的數(shù)量為兩個，所述兩個預(yù)緊頂絲的安裝螺紋的螺紋方向的方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述安裝螺紋為M4*0.35型細牙螺紋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述滾珠通過過盈配合的方式安裝于所述預(yù)緊頂絲中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述壓電陶瓷在電壓的作用下具有伸長量Sx，所述伸長量Sx經(jīng)所述放大機構(gòu)放大后，所述運動平臺的位移量為X，定義C=X/Sx，所述C的范圍為7?14。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述壓電陶瓷的兩端分別粘帖有鎢鋼片，所述底蓋板上形成有與所述一端的鎢鋼片相配合的凹槽，所述相應(yīng)端的鎢鋼片卡合于所述凹槽中，另一端的鎢鋼片與所述滾珠相抵靠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述放大機構(gòu)與所述本體一體成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述本體和放大機構(gòu)的材質(zhì)為超硬招。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大行程納米定位平臺，其特征在于，所述壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛。
【文檔編號】H01L41/09GK103883849SQ201410123284
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】鐘博文, 楊湛, 王振華, 錢哲, 金子祺, 李宗偉, 孫立寧 申請人:蘇州大學