專利名稱：一種具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于幾何量計(jì)量技術(shù)，涉及一種具有大伸長(zhǎng)量剛性直簧結(jié)構(gòu)的高精度移相器。
背景技術(shù)：
目前微位移驅(qū)動(dòng)元件的種類很多，如機(jī)電驅(qū)動(dòng)類、電磁驅(qū)動(dòng)類等。與其他微位移結(jié)構(gòu)相比，壓電式移相器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、位移分辨率高(納米級(jí))、響應(yīng)快、抗強(qiáng)電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)、微電子技術(shù)、高精度定位、精密加工、激光通訊等各個(gè)領(lǐng)域中都有較為廣泛的應(yīng)用。但有時(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中需要較大的(幾十微米以上級(jí))、精確的且可控的行程量，此時(shí)傳統(tǒng)的壓電式移相器的結(jié)構(gòu)往往不能同時(shí)滿足上述諸多要求，朱煜曾在《由三個(gè)壓電陶瓷堆組成的干涉儀移相器的校正與標(biāo)定》(《光學(xué)學(xué)報(bào)》，Vol. 21，No. 4，2001)中提出一種由三個(gè)PZT在同一圓環(huán)上共同推動(dòng)被移動(dòng)裝置的移相器，并在載重超過(guò)10千克的情況下以臥式斐索干涉儀做了實(shí)際測(cè)試，其精度，行程量均符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了同類移相器中的較高水平。然而，該移相器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性校正困難，驅(qū)動(dòng)電路同步性設(shè)計(jì)復(fù)雜，使其在應(yīng)用領(lǐng)域上受到了諸多限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有大行程量，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(使用兩組剛性直彈簧結(jié)構(gòu))且易于校正調(diào)試的移相器，移相器采用壓電陶瓷堆(PZT)推動(dòng)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為包括主底板、側(cè)邊鎖緊裝置、PZT固定裝置和PZT元件，側(cè)邊鎖緊裝置位于主底板的兩側(cè)，PZT固定裝置位于主底板的中間下方，并與PZT元件直接接觸，兩者成前后關(guān)系，其特征在于其中主底板由彈簧結(jié)構(gòu)、正向沉孔、反向沉孔以及位于中心位置的空腔組成；移相器通過(guò)正向沉孔固定在使用平臺(tái)上，并通過(guò)反向沉孔與被移動(dòng)器件固定，PZT元件通過(guò)PZT固定裝置固定在空腔內(nèi)；該移相器僅使用單PZT，力傳遞裝置為兩組直彈簧結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)僅使用單PZT，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的移相器機(jī)械裝置就可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高靈敏度的大行程移相，其原因之一是，本發(fā)明的彈簧結(jié)構(gòu)采用剛性應(yīng)力直彈簧結(jié)構(gòu)，且被移動(dòng)裝置不與PZT元件的中軸線共軸，避免了直接擠壓可能造成的偏移，同時(shí)彈簧結(jié)構(gòu)較大的長(zhǎng)寬比使得大行程量得以實(shí)現(xiàn)；其原因之二是，本發(fā)明采用鋼珠作為和PZT元件以及和主底板中間部分側(cè)邊的直接接觸，使得即使有微小偏移發(fā)生，位移依舊能沿軸向進(jìn)行；其原因之三是，本發(fā)明的主要機(jī)械部分(即主底板)是由整塊金屬加工而成，避免了分成多塊拼接時(shí)因公差而產(chǎn)生的偏移和傾斜。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的主底板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的側(cè)邊鎖緊裝置的示意圖。圖4 (a)、(b)、(C)、(d)是本發(fā)明的PZT鎖緊裝置分解示意圖；圖4 (a)是PZT固定板的示意圖；圖4 (b)是PZT套筒的示意圖；圖4 (c)是PZT鎖緊螺絲的示意圖；圖4 (d)是PZT固定板鎖緊螺絲的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。結(jié)合圖1、2、3、4，本發(fā)明的移相器是一種具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，由主底板I、側(cè)邊鎖緊裝置2、PZT固定裝置3、PZT元件4(市購(gòu)，類型較多，圖中并未標(biāo)出)組成。側(cè)邊鎖緊裝置2位于主底板的兩側(cè)，PZT固定裝置位于主底板I的中間下方，并與PZT元件4直接接觸，兩者成前后關(guān)系。主底板I由彈簧結(jié)構(gòu)1_1、4個(gè)完全相同的正向沉孔1-2、4個(gè)完全相同的反向沉孔1-3以及位于中心位置的空腔1-4組成；側(cè)邊鎖緊裝置2由側(cè)邊主 板2-1、4顆完全相同的止螺2-2 (每顆止螺均配有鋼珠一顆)以及4顆完全相同的側(cè)邊鎖緊螺絲2-3組成；PZT固定裝置3由PZT固定板3-1、PZT套筒3_2、PZT鎖緊螺絲3_3以及兩顆完全相同的PZT固定板鎖緊螺絲3-4組成。移相器通過(guò)4個(gè)完全相同的正向沉孔1-2固定在使用平臺(tái)上，通過(guò)4個(gè)完全相同的反向沉孔1-3與被移動(dòng)器件固定，PZT元件4通過(guò)PZT固定裝置3固定在空腔1-4內(nèi)，彈簧結(jié)構(gòu)1-1為力傳遞裝置。結(jié)合圖1、2，所述的移相器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅使用單PZT，移相器的機(jī)械裝置為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱中心為空腔1-4的中軸線，并與PZT元件4的中軸線重合，空腔1-4的大小及形狀由PZT元件4的尺寸決定，空腔內(nèi)直接與PZT元件4接觸的面加工平整，保證PZT元件4伸長(zhǎng)方向正確。結(jié)合圖2，所述的移相器的主底板I材料為銅或鋼，尺寸可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，彈簧結(jié)構(gòu)1-1分為上下兩部分，這兩部分將主底板I分成上中下三個(gè)部分，主底板的上下兩個(gè)部分由側(cè)邊鎖緊裝置2通過(guò)側(cè)邊鎖緊螺絲2-3固定在一起，并通過(guò)正向沉孔1-2固定在整個(gè)移相器的使用平臺(tái)上，正向沉孔1-2公差小于0. 1mm，主底板I中間部分直接與PZT元件4接觸，為可動(dòng)部分。結(jié)合圖2、3，所述的彈簧結(jié)構(gòu)1-1分為上下兩部分，每一部分由一條長(zhǎng)鏤空結(jié)構(gòu)和兩條短鏤空結(jié)構(gòu)組成，彈簧結(jié)構(gòu)1-1的上下兩部分共同構(gòu)成剛性應(yīng)力直彈簧，彈簧結(jié)構(gòu)1-1本身不具有位移放大作用，即直接和被移動(dòng)裝置接觸的反向沉孔1-3的軸向(與空腔1-4中軸線同向)位移和PZT元件4的軸向位移之間的比值為I :1，微調(diào)彈簧結(jié)構(gòu)1-1的參數(shù)(即彈簧結(jié)構(gòu)1-1的外形尺寸)，可使對(duì)PZT元件4加同樣偏壓產(chǎn)生的位移量不同，所以根據(jù)對(duì)位移量的要求不同，可適當(dāng)改變鏤空結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。結(jié)合圖1、2、3、4，所述的移相器為保證位移的精確性和方向的正確性特作如下處理其一，PZT鎖緊螺絲3-3以鋼珠作為連接與PZT元件4直接接觸，避免PZT鎖緊螺絲3_3在鎖緊過(guò)程中的傾斜等因素造成PZT元件4發(fā)生位移偏移；其二，側(cè)邊鎖緊裝置2與主底板I的中間部分(主底板I上由彈簧結(jié)構(gòu)1-1分成上中下三部分)的側(cè)邊之間留有空隙，空隙大小為0. 8^1. 2mm，保證主底板I的中間部分的側(cè)邊不與側(cè)邊鎖緊裝置2接觸；其三，上述側(cè)邊做光滑處理，粗糙度控制在0. 2 (GB/T3505-2000)以內(nèi)，且在止螺2_2與主底板I中間部分側(cè)邊之間放置鋼珠，即便在移相過(guò)程中產(chǎn)生細(xì)小偏移，也能靠鋼珠及止螺2-2的應(yīng)力將細(xì)小偏移糾正過(guò)來(lái)。結(jié)合圖1、4，所述的PZT固定板3-1、PZT套筒3-2、PZT鎖緊螺絲3-3以及兩顆完全相同的PZT固定板鎖緊螺絲3-4共同組成PZT鎖緊裝置3，PZT固定板3_1的左右兩孔3-1-2上開(kāi)有螺紋，由PZT固定板鎖緊螺絲3-4緊固到主底板I上，上述固定板中間大孔3-1-1也開(kāi)有螺紋，可供PZT鎖緊螺絲3-3將PZT元件4緊固在空腔1_4中，PZT套筒3_2與大孔3-1-1對(duì)應(yīng)位置上開(kāi)有同樣大小的通孔3-2-1，上述固定板中間螺孔3-1-1和邊上螺孔3-1-2之間分別開(kāi)有兩個(gè)直徑2_的小孔3-1-3，PZT套筒3-2側(cè)邊與小孔3_1_3對(duì)應(yīng)位置上開(kāi)有近似大小的凹槽3-2-2，再配合空腔1-4側(cè)面開(kāi)出的臺(tái)階槽，三者結(jié)合方便引導(dǎo)出PZT元件4的加電控制導(dǎo)線。結(jié)合圖3、4，所述PZT鎖緊螺絲3-3為止螺形式，且將止螺2-2及PZT鎖緊螺絲3_3與鋼珠的連接處加工成內(nèi)圓錐結(jié)構(gòu)，錐角為90°，便于鋼珠的固定和受力。實(shí)施例I :本發(fā)明的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，使用的PZT元件4為圓柱體，長(zhǎng)50mm，直徑14臟，移相器的主底板I材料為銅，表皮發(fā)黑，長(zhǎng)度為208mm、寬度為90mm、 高度為24mm，即彈簧結(jié)構(gòu)1-1的寬2mm，長(zhǎng)鏤空結(jié)構(gòu)長(zhǎng)180mm，短鏤空結(jié)構(gòu)長(zhǎng)79mm，結(jié)構(gòu)間距離為2mm，整個(gè)移相器裝置作為光學(xué)二維調(diào)整架的底座，兩者之間由反向沉孔1-3連接，對(duì)PZT加電后，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)二維架步進(jìn)靈敏度在納米級(jí)、加電間隔30(T800ms、總行程50 um以上的位移，且位移過(guò)程中，震動(dòng)小、方向準(zhǔn)確性高，不產(chǎn)生偏移和傾斜。實(shí)施例2:本發(fā)明的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，使用的PZT元件4為圓柱體，長(zhǎng)110mm，直徑為30mm，移相器的主底板I材料為鋼，表皮發(fā)黑，長(zhǎng)度為500mm、寬度為210mm、高度為34mm,即彈簧結(jié)構(gòu)1_1的寬4mm,長(zhǎng)鏤空結(jié)構(gòu)長(zhǎng)420mm,短鏤空結(jié)構(gòu)長(zhǎng)180mm,結(jié)構(gòu)間距離為4_，整個(gè)移相器裝置作為大型光學(xué)鏡頭架的的底座，兩者之間由反向沉孔1-3連接，對(duì)PZT加電后，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)大型光學(xué)鏡頭架步進(jìn)靈敏度在納米級(jí)、加電間隔30(T800ms、總行程200 u m以上的位移，且位移過(guò)程中，震動(dòng)小、方向準(zhǔn)確性高，不產(chǎn)生偏移和傾斜。
權(quán)利要求
1.一種具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，包括主底板[I]、側(cè)邊鎖緊裝置[2]、PZT固定裝置[3]和PZT元件[4]，側(cè)邊鎖緊裝置[2]位于主底板的兩側(cè)，PZT固定裝置位于主底板[I]的中間下方，并與PZT元件[4]直接接觸，兩者成前后關(guān)系，其特征在于其中主底板[I]由彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]、正向沉孔[1-2]、反向沉孔[1-3]以及位于中心位置的空腔[1-4]組成；移相器通過(guò)正向沉孔[1-2]固定在使用平臺(tái)上，并通過(guò)反向沉孔[1-3]與被移動(dòng)器件固定，PZT元件[4]通過(guò)PZT固定裝置[3]固定在空腔[1-4]內(nèi)；該移相器僅使用單PZT，力傳遞裝置是兩組剛性直彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]分為上下兩部分，這兩部分將主底板[I]分成上中下三個(gè)部分，主底板[I]的上下兩個(gè)部分由側(cè)邊鎖緊裝置[2]通過(guò)側(cè)邊鎖緊螺絲[2-3]固定在一起，并通過(guò)正向沉孔[1-2]固定在整個(gè)移相器的使用平臺(tái)上，正向沉孔[1-2]公差小于0. 1mm，主底板[I]中間部分直接與PZT元件[4]接觸，為可動(dòng)部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]為力傳遞裝置，彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]分為上下兩部分，每一部分由一條長(zhǎng)鏤空結(jié)構(gòu)和兩條短鏤空結(jié)構(gòu)組成，彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]的上下兩部分共同構(gòu)成剛性應(yīng)力直彈簧，彈簧結(jié)構(gòu)[1-1]本身不具有位移放大作用，根據(jù)對(duì)位移量的要求不同，可適當(dāng)改變鏤空結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于移相器的機(jī)械裝置為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱中心為空腔[1-4]的中軸線，并與PZT元件[4]的中軸線重合，空腔[1-4]的大小及形狀由PZT元件[4]的尺寸決定，空腔內(nèi)直接與PZT元件[4]接觸的面加工平整。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于移相器的主底板[I]材料為銅或鋼，尺寸可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于PZT鎖緊螺絲[3-3]以鋼珠作為連接與PZT元件[4]直接接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于側(cè)邊鎖緊裝置[2]由側(cè)邊主板[2-1]、止螺[2-2]以及側(cè)邊鎖緊螺絲[2-3]組成，側(cè)邊鎖緊裝置[2]與主底板[I]的中間部分的側(cè)邊之間留有空隙，空隙大小為O.fl. 2mm;上述側(cè)邊做光滑處理，粗糙度控制在0. 2以內(nèi)，每顆止螺[2-1]均配有一顆鋼珠，且在止螺[2-2]與主底板[I]中間部分側(cè)邊之間放置鋼珠。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于PZT固定裝置[3]由PZT固定板[3-1]、PZT套筒[3-2]、PZT鎖緊螺絲[3-3]以及兩顆完全相同的PZT固定板鎖緊螺絲[3-4]組成，PZT固定板[3-1]的左右兩孔[3-1-2]上開(kāi)有螺紋，由PZT固定板鎖緊螺絲[3-4]緊固到主底板[I]上，上述固定板中間大孔[3-1-1]也開(kāi)有螺紋，可供PZT鎖緊螺絲[3-3]將PZT元件[4]緊固在空腔[1-4]中，PZT套筒[3-2]與大孔[3+1]對(duì)應(yīng)位置上開(kāi)有同樣大小的通孔[3-2-1]，上述固定板中間螺孔[3-1-1]和邊上螺孔[3-1-2]之間分別開(kāi)有兩個(gè)直徑2_的小孔[3-1-3]，PZT套筒[3-2]側(cè)邊與小孔[3-1-3]對(duì)應(yīng)位置上開(kāi)有近似大小的凹槽[3-2-2]，再配合空腔[1-4]側(cè)面開(kāi)出的臺(tái)階槽，三者結(jié)合方便引導(dǎo)出PZT元件[4]的加電控制導(dǎo)線。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于PZT鎖緊螺絲[3-3]為止螺形式，且將止螺[2-2]及PZT鎖緊螺絲[3-3]與鋼珠的連接處加工成內(nèi)圓錐結(jié)構(gòu)，錐角為90°。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，其特征在于正向沉孔[1-2]和反向沉孔[1-3]的個(gè)數(shù)不少于4個(gè)；止螺[2-2]以及側(cè)邊鎖緊螺絲[2-3]的個(gè)數(shù)不少于4個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有大伸長(zhǎng)量的剛性直簧移相器，包括主底板、側(cè)邊鎖緊裝置、PZT固定裝置和PZT元件，側(cè)邊鎖緊裝置位于主底板的兩側(cè)，PZT固定裝置位于主底板的中間下方，并與PZT元件直接接觸，兩者成前后關(guān)系，其特征在于其中主底板由彈簧結(jié)構(gòu)、正向沉孔、反向沉孔以及位于中心位置的空腔組成；移相器通過(guò)正向沉孔固定在使用平臺(tái)上，并通過(guò)反向沉孔與被移動(dòng)器件固定，PZT元件通過(guò)PZT固定裝置固定在空腔內(nèi)；該移相器僅使用單PZT，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的移相器機(jī)械裝置(兩組剛性直彈簧)就可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高靈敏度的大行程移相。
文檔編號(hào)H02N2/02GK102751903SQ201210245018
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者朱波, 袁群, 高志山 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)