專利名稱：驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺的制作方法
技術領域：
本發明屬于微機電系統技術領域，涉及ー種無耦合運動的柔性鉸鏈工作臺，具體涉及ー種基于電致伸縮器件和雙層柔性鉸鏈對稱結構的三維無耦合微位移工作臺。
背景技術：
微位移技術是精密機械與精密儀器的關鍵技術之ー，近年來隨著微電子技術、宇航、生物工程等學科的發展而迅速地發展起來。微位移工作臺在微機電系統、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學元件制造以及生物醫學工程等領域有廣泛的應用，具有納米級精度的微位移工作臺是其核心部件。設計三維微位移工作臺，關鍵是解決運動耦合問題以及運動控制問題，即兩個方向的驅動運動能各自獨立且能精確定位。目前大多數三維微位移工作臺采用ー維運動的垂直疊加或者以串聯嵌套式結構來實現三維運動，這種三維微位移工作臺結構采用非對稱結構設計，不僅結構復雜、體積龐大、不便于工作臺的微型化，而且會產 生累積誤差影響工作臺的精度，無法完全消除各個方向間的耦合作用。因此，為克服以上缺點，研制具有高精度、無耦合、定位精確、驅動器浮動的對稱結構三維微位移工作臺對于實際應用具有較大的意義。
發明內容
為了克服現有三維微位移工作臺存在的結構復雜、體積龐大，不便于工作臺的微型化，無法完全消除各個方向間的耦合作用的問題，本發明提供一種驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺。本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺，包括基板、Z向下框、Z向上框、內工作臺、工作臺、驅動單元、支撐桿、驅動支鏈、Z向支撐單元、電致伸縮器件，其結構特點在于所述基板中部設有貫通的空腔，所述空腔中部設置內工作臺，所述內工作臺沿X、Y方向對稱分布有四個內工作臺凸緣；所述Z向下框、Z向上框為截面呈正方形的C形桿狀，分別垂直連接著基板的上表面和下表面中部；所述工作臺設置在內工作臺的正上方，并通過四根均布的支撐桿跨過Z向上框連接著內工作臺上表面；所述驅動支鏈用于連接著基板與內工作臺，驅動支鏈一端兩側邊緣對稱位置分別設有驅動側板，驅動支鏈設有驅動側板的一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿與工作臺凸緣連接，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿與基板連接，所述驅動支鏈共有兩個，分別設置于基板空腔X-方向、Y-方向的中部；所述驅動単元一端兩側對稱設有連接板，并在設有連接板一端的中部開設了用于放置電致伸縮器件的凹槽，所述驅動單元共三個，分別位于基板空腔X+方向、Y+方向的中部以及內工作臺與Z向下框之間的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驅動單元通過兩根平面柔性鉸鏈桿與工作臺凸緣連接，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿與基板連接，Z-方向的驅動單元一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿與Z向下框連接，另一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿與驅動支座連接；所述驅動支座用于連接Z-方向的驅動單元與內工作臺，內工作臺上表面對稱位置設置了另ー個驅動支座用于連接Z向支撐單元與內工作臺；所述Z向支撐單元一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿與驅動支座相連，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿與Z向上框連接；所述電致伸縮器件置于所述凹槽中部，其中X+方向、Y+方向的電致伸縮器件一端頂緊凹槽的側壁，另一端頂在內工作臺凸緣上，Z-方向的電致伸縮器件一端頂緊凹槽的側壁，另一端頂在驅動支座上。本發明驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺，其結構特點還在于所述內工作臺為正方形板狀，每個內工作臺凸緣兩側面對稱位置分別連接著平面柔性鉸鏈桿的一端，上表面和下底面的中部分別與驅動支座另一端連接。 所述工作臺為正方形板狀且與內工作臺大小相同，工作臺通過與其下底面垂直的四根均布的正方形柱狀支撐桿連接著內工作臺上表面。所述電致伸縮器件為ThorIabs公司生產的20 μ m行程PAS005、PAS020驅動器或者40 μ m行程PAS009、PAS040驅動器。與已有技術相比，本發明的有益技術效果體現在以下方面I、本發明工作臺采用空間柔性鉸鏈桿和平面柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對稱一體化結構，依靠平面柔性鉸鏈與空間柔性鉸鏈桿的無耦合運動特性、剛度特性、工作臺對稱結構特性，可完全消除耦合運動，提高精度，實現三維無耦合微位移輸出，具有無間隙、無摩擦、靈敏度高的特點。2、本發明工作臺以電致伸縮器件作為驅動元件，且電致伸縮器件隨工作臺運動浮動，可實現ー維、ニ維或三維無耦合微位移運動，同時輸出位移更精細，且輸出位移與輸入位移成線性關系。由于三個方向的運動之間無耦合，相互獨立，從而提高了工作臺的定位精度，便于控制。3、本發明工作臺結構緊湊，便于微型化。
圖I為本發明結構示意圖。圖2為圖I的爆炸視圖。圖3為本發明X/Y向結構示意圖。圖4為本發明Z向結構示意圖。圖5為內工作臺結構示意圖。圖6為驅動單元結構示意圖。圖7為驅動支鏈結構示意圖。圖8為Z向支撐單元結構示意圖。圖9為Z向驅動支座結構示意圖。上圖中序號基板I、Z向下框2、Z向上框3、內工作臺4、工作臺5、Z向驅動單元
6、支撐桿7、驅動支鏈8、Z向支撐單元9、電致伸縮器件10、空間柔性鉸鏈桿11、平面柔性鉸鏈桿12、內工作臺凸緣13、連接板14、凹槽15、驅動側板16、驅動支座17。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例對本發明做詳細說明，本實例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。參見圖f 9，驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺包括基板I、Z向下框2、Z向上框3、內工作臺4、工作臺5、Z向驅動單元6、支撐桿7、驅動支鏈8、Z向支撐單元9、電致伸縮器件10，基板I中部設有貫通的空腔，空腔中部設有內工作臺4，內工作臺4為正方形板狀，沿X、Y方向對稱分布有四個內工作臺凸緣13，每個內工作臺凸緣13兩側面對稱位置分別連接著平面柔性鉸鏈桿12的一端，上表面和下底面的中部分別與驅動支座17另一端連接；Z向下框2、Ζ向上框3為截面呈正方形的C形桿狀，分別垂直連接著基板I的上表面 和下表面中部；工作臺5為正方形板狀且與內工作臺4大小相同，設置在內工作臺4的正上方，并通過與其下底面垂直的四根均布的正方形柱狀支撐桿7跨過Z向上框3連接著內エ作臺4上表面；驅動支鏈8用于連接著基板I與內工作臺4，驅動支鏈8 一端兩側邊緣對稱位置分別設有驅動側板16，驅動支鏈8設有驅動側板一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿12與工作臺凸緣13連接，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿11與基板I連接，驅動支鏈8共有兩個，分別設置于基板I空腔X-方向、Y-方向的中部；驅動單元6 —端兩側對稱位置分別設有連接板14，設有連接板一端中部開設了用于放置電致伸縮器件10的凹槽15，驅動單元6共三個，分別位于基板I空腔X+方向、Y+方向的中部以及內工作臺4與Z向下框2之間的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驅動單元6通過兩根平面柔性鉸鏈桿12與工作臺凸緣13連接，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿11與基板I連接，Z-方向的驅動單元6 —端通過兩根空間柔性鉸鏈桿11與Z向下框2連接，另一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿12與驅動支座17連接；所述驅動支座17用于連接Z-方向的驅動單元6與內工作臺4，內工作臺4上表面對稱位置設置了另ー個驅動支座17用于連接Z向支撐單元9于內工作臺4 ； Z向支撐單元9 一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿12與驅動支座17相連，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿11與Z向上框3連接；電致伸縮器件10為Thorlabs公司生產的20 μ m行程PAS020驅動器(根據凹槽7深度和工作臺最大行程要求可以選擇20 μ m行程PAS005驅動器，或者40 μ m行程PAS009驅動器或PAS040驅動器)，置于凹槽15中部，其中X+方向、Y+方向的電致伸縮器件10 —端頂緊凹槽5的側壁，另一端頂在內工作臺凸緣13上，Z-方向的電致伸縮器件10 —端頂緊凹槽15的側壁，另一端頂在驅動支座17上。 本發明可實現ー維、ニ維或三維無耦合運動，本實施例通過以下方式進行工作ー維運動時以輸出X方向運動為例，電致伸縮器件10施加カ于X-方向，驅動內工作臺4向X-方向運動，此時X方向上的兩組平面柔性鉸鏈桿12連接內工作臺凸緣13 —端向X-方向運動，平面柔性鉸鏈桿12另一端與基板I相對靜止，同時Y方向的兩組空間柔性鉸鏈桿11連接基板I的一端靜止不動，另一端也隨內工作臺4向X-方向運動，在Z軸方向上的兩組空間柔性鉸鏈桿11連接Z向下框2、Z向上框3 —端保持靜止，另一端在X-方向力作用下隨內工作臺4向X-方向運動，由于空間柔性鉸鏈、平面柔性鉸鏈桿均采用對稱結構，Y方向的位移相互抵消，同時Z方向的位移也相互抵消，因此內工作臺4在向X—方向位移吋，不存在Y方向的耦合運動，也不存在Z方向的耦合運動；通過連接在內工作臺4與工作臺5之間的四根均布的支撐桿7將X方向的無耦合運動傳遞到工作臺5，從而實現了 X方向的無耦合微位移輸出。由于本發明采用空間柔性鉸鏈桿和平面柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對稱一體化結構設計，因此Y、Z方向的一維運動與X方向的一維運動一祥，不存在耦合現象。ニ維運動時，以輸出X-、Y-方向運動為例，X+、Y+位置的電致伸縮器件10分別施カロカ于X-方向和Y-方向，驅動內工作臺4同時向X-方向和Y-方向運動。由于采用雙層柔性鉸鏈桿對稱一體化結構，X+位置的電致伸縮器件使Y方向的兩組空間柔性鉸鏈桿11和對稱連接在X方向內工作臺凸緣13兩側面的平面柔性鉸鏈桿12的一端向X-方向平移一個微小位移，而對稱連接在Y方向內工作臺凸緣13兩側面的平面柔性鉸鏈桿12保持不動；同理，Y+位置的電致伸縮器件使X方向的兩組空間柔性鉸鏈桿11和對稱連接在Y方向內工作臺凸緣13兩側面的平面柔性鉸鏈桿12的一端向Y-方向平移ー個微小位移，而對稱連接在X方向內工作臺凸緣13兩側面的平面柔性鉸鏈桿12保持不動；從而使X方向上的驅動支鏈8與內工作臺4沒有沿Y方向的相對移動，Y方向上的驅動支鏈8與內工作臺4沒有沿X方向的相對移動，最后通過連接在內工作臺4與工作臺5之間的四根均布的支撐桿7將X方向的無耦合運動傳遞到工作臺5，可見工作臺在X、Y兩個方向上的運動相互獨立，互不干渉，解決了運動耦合問題。同理χ/ζ、Υ/Ζ方向的運動也是相互獨立，互不干渉、不存在耦合現象的。·三維維運動時，根據上述ニ維運動原理，Χ/Υ方向的ニ維運動是無耦合的，在Χ/Υ方向運動完成后，Z-位置的電致伸縮器件10施加カ于Z+方向，此時對稱連接在Z方向驅動支座17兩側面的兩組平面柔性鉸鏈桿12的一端在Z+方向外力作用與內工作臺4同時向Z-方向運動，由于此處的平面柔性鉸鏈桿12關于Y軸對稱，因而X方向的位移相互抵消，同時，均布連接在基板I側面中部的四組空間柔性鉸鏈桿11的另一端也向Z+方向運動，但由于這四組空間柔性鉸鏈桿12分別兩兩關于X、Y軸對稱，因而X、Y方向的位移相互抵消。由上述運動原理可知Z方向的運動不會影響Χ/Υ方向的運動，最后通過連接在內工作臺4與工作臺5之間的四根均布的支撐桿7將X方向的無耦合運動傳遞到工作臺5，因此工作臺在X、Y、Z三個方向上的運動相互獨立，互不干渉，從而保證了工作臺的精確度，實現了工作臺的三維無耦合微位移運動。
權利要求
1.驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺，包括基板(l)、z向下框(2)、Z向上框(3)、內工作臺(4)、工作臺(5)、驅動單元(6)、支撐桿(7)、驅動支鏈(8)、Z向支撐單元(9)、電致伸縮器件(10)，其特征在于所述基板(I)中部設有貫通的空腔，所述空腔中部設置內工作臺(4)，所述內工作臺(4)沿X、Y方向對稱分布有四個內工作臺凸緣(13)； 所述Z向下框(2)、Z向上框(3)為截面呈正方形的C形桿狀，分別垂直連接著基板(I)的上表面和下表面中部； 所述工作臺(5)設置在內工作臺(4)的正上方，并通過四根均布的支撐桿(7)跨過Z向上框(3)連接著內工作臺(4)上表面； 所述驅動支鏈(8 )用于連接著基板(I)與內工作臺(4 )，驅動支鏈(8 ) —端兩側邊緣對稱位置分別設有驅動側板(16)，驅動支鏈(8)設有驅動側板的一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿(12)與工作臺凸緣(13)連接，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿(11)與基板(I)連接，所述驅動支鏈(8 )共有兩個，分別設置于基板(I)空腔X-方向、Y-方向的中部； 所述驅動単元(6)—端兩側對稱設有連接板(14)，并在設有連接板一端的中部開設了用于放置電致伸縮器件(10)的凹槽(15)，所述驅動単元(6)共三個，分別位于基板(I)空腔X+方向、Y+方向的中部以及內工作臺(4)與Z向下框(2)之間的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驅動單元(6)通過兩根平面柔性鉸鏈桿(12)與工作臺凸緣(13)連接，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿(11)與基板(I)連接，Z-方向的驅動單元(6)—端通過兩根空間柔性鉸鏈桿(11)與Z向下框(2 )連接，另一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿(12 )與驅動支座(17 )連接；所述驅動支座(17)用于連接Z-方向的驅動單元(6)與內工作臺(4)，內工作臺(4)上表面對稱位置設置了另ー個驅動支座(17)用于連接Z向支撐單元(9)與內工作臺(4);所述Z向支撐單元(9) 一端通過兩根平面柔性鉸鏈桿(12)與驅動支座(17)相連，另一端通過兩根空間柔性鉸鏈桿(11)與Z向上框(3)連接； 所述電致伸縮器件(10)置于所述凹槽(15)中部，其中X+方向、Y+方向的電致伸縮器件(10) —端頂緊凹槽(15)的側壁，另一端頂在內工作臺凸緣(13)上，Z-方向的電致伸縮器件(10) 一端頂緊凹槽(15)的側壁，另一端頂在驅動支座(17)上。
2.根據權利要求I所述的驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺，其特征在于所述內工作臺(4)為正方形板狀，每個內工作臺凸緣(13)兩側面對稱位置分別連接著平面柔性鉸鏈桿(12)的一端，上表面和下底面的中部分別與驅動支座(17)另一端連接。
3.根據權利要求I所述的驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺，其特征在于所述工作臺(5)為正方形板狀且與內工作臺(4)大小相同，工作臺(5)通過與其下底面垂直的四根均布的正方形柱狀支撐桿(7)連接著內工作臺(4)上表面。
4.根據權利要求I所述的驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺，其特征在于所述電致伸縮器件(10)為Thorlabs公司生產的20 μ m行程PAS005、PAS020驅動器或者40 μ m行程PAS009、PAS040驅動器。
全文摘要
本發明涉及驅動器浮動的三維無耦合微位移工作臺。該工作臺包括基板、Z向下框、Z向上框、內工作臺、工作臺、Z向驅動單元、支撐桿、驅動支鏈、Z向支撐單元、電致伸縮器件，其特征在于基板中部設有貫通的空腔，空腔中部設有內工作臺，工作臺設置在內工作臺的正上方，并通過四根均布的支撐桿跨過Z向上框連接著內工作臺上表面。本發明采用空間柔性鉸鏈桿和平面柔性鉸鏈桿形成雙層柔性鉸鏈桿對稱一體化結構，以電致伸縮器件作為驅動元件，可完全消除耦合運動，實現輸出位移與輸入位移成線性關系的三維無耦合微位移輸出，具有分辨率高、結構緊湊的優點，可應用于微機電系統、掃描探測顯微鏡、超精密加工、光學元件制造以及生物醫學工程等領域。
文檔編號G12B5/00GK102708930SQ20121017230
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者張海巖, 沈健, 陳東 申請人:合肥工業大學