一種z軸負向放大一維精密定位平臺的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種Z軸負向放大一維精密定位平臺，包括Z軸負向放大機構、用于保護Z軸負向放大機構的基座、位于Z軸負向放大機構上方的運動平臺，所述Z軸負向放大機構包括若干柔性臂、固定在柔性臂兩側的平行板、連接柔性臂與運動平臺的輸出件、壓電陶瓷安裝件以及與基座連接固定的底盤，所述平行板通過柔性鉸鏈與柔性臂柔性連接，位于所述平行板之間、所述Z軸負向放大機構下方、所述底盤上方的空間內設置有壓電陶瓷，所述壓電陶瓷通過設置在兩側的平行板上的壓電陶瓷安裝件固定。本發明相較于傳統的放大定位平臺具有行程范圍大、精度高、結構簡單、體積小、剛度大、靈敏度高、分辨率高、納米級、適宜作微動平臺等優點。
【專利說明】一種z軸負向放大一維精密定位平臺
【技術領域】
[0001]本發明屬于微驅動應用領域，具體涉及為利用新型放大原理在Z軸實現負向放大一維精密定位的微驅動平臺。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著微電子技術，宇航，生物工程等學科的迅速發展，正式進入了 “亞微米-納米”時代。在電子，光學，機械制造等眾多【技術領域】中，迫切需要高精度，高分辨率，高可靠性的微定位系統，用于實現高精度的研宄，微定位技術在微機電系統、納米制造技術、微電子及納米電子技術、納米生物工程等眾多高科技領域將發揮越來越重要的作用。用以直接工作或配合其他儀器設備完成高精度的研宄和使用。
[0003]隨著科學技術的不斷發展，對微定位的界定也從以前的mm級到現在的亞um—nm級進化，以后的發展方向將是亞nm級(<10-9m)。對高精密系統的研宄，以美國、德國和日本走在世界的前列，比如在基于壓電陶瓷納米定位方面，能夠達到lnm的分辨率、10nm左右的定位精度、10_以上的形程。目前我國在微定位【技術領域】的研宄還相對落后，因此，開展微定位平臺的相關研宄，對于縮小同國內外同行的差距，促進我國的國防軍工以及國民經濟的快速發展有著重大而深遠的意義。
[0004]一維精密定位平臺，主要功能是實現被操作樣件或被觀測樣件的一維精密運動和定位，以及微探針的一維操作等。其微動工作原理在于利用壓電陶瓷的逆壓電效應，驅動彈性鉸鏈機構實現微位移傳動，以達到一精密定位的要求。它相對于其他驅動方式的一維維精密定位技術，如電機驅動、音圈電機驅動、記憶合金驅動及磁滯伸縮驅動方式等，其基本原理實現方便、控制簡單，并具有分辨率高、傳動無間隙、易微小化、運動精度高和重復定位精度高等優點。微位移驅動器是微定位平臺的關鍵部分，驅動器的特性和精度對定位平臺系統的性能有著重要影響。微位移驅動器是微定位平臺的關鍵部分，驅動器的特性和精度對定位平臺系統的性能有著重要影響。
[0005]微動工作臺由微位移驅動器和導軌兩部分組成。根據導軌形式和驅動方式可分為五類:柔性支撐、壓電或電致伸縮微位器驅動；滾動導軌，壓電陶瓷或電致伸縮微位移器驅動:滑動導軌，機械式驅動；平行彈性導軌，機械式或電磁、壓電、電致伸縮微位移器驅動器驅動；氣浮導軌，伺服電機或直線電機驅動。通常的壓電陶瓷驅動的微位移工作臺以柔性鉸鏈作支承導軌，以壓電陶瓷驅動器作驅動元件。
[0006]柔性鉸鏈包括正圓型、直角型、橢圓型、雙曲線型。正圓型:準確性較低，應力集中小，靈活性最好，加工方便；直角型:具有最大的集中應力，靈活性較好，強度不足；橢圓型:應力集中最小，精確性較低；雙曲線型:精度較高，應力集中較低，加工困難。柔性機構包括位移Z軸負向放大機構、位移導向機構、柔性鉸鏈。柔性機構的優點:1、無機械摩擦、無間隙2、免于磨損、提高壽命3、高精度運動4、免于潤滑、避免污染；缺點:1、運動范圍有限2、很難實現大行程3、剛性低。(如專利號為CN201420081663.6的專利)。
[0007]精密定位平臺位移Z軸負向放大機構包括杠桿機構、四邊形機構、八桿機構、Scott機構、橋式機構。杠桿機構:優點:剛度大、結構簡單、易制造，缺點:位移放大倍數小、存在位移耦合；四邊形機構:優點:結構對稱、消除了位移耦合，缺點:位移放大倍數小；八桿機構:優點:結構緊湊、消除了位移耦合，缺點:結構復雜、不易制造；Scott機構:優點:結構簡單緊湊、位移放大倍數大，缺點:放大比非線性；橋式機構:優點:結構簡單、位移放大倍數大，缺點:剛度太低。
[0008]上述一維精密定位平臺在一維實現結構和位移放大方式上有所不同，在實現一維大行程精密定位的過程中都會因為機構類型的原因在一維大行程精密定位中引起誤差，最終影響運動精度，而且為一維大行程精密定位平臺帶來累積誤差和角度誤差、耦合位移等技術難題。(如專利號為 CN201310603633.7、CN201310068434.0 的專利)。
[0009]因此，有必要找到一種能夠有效提高運動范圍放大倍數，同時能夠減小精密定位平臺體積，而且避免角度誤差的精密定位平臺。
【發明內容】
[0010]有鑒于此，本發明提供了一種利用新型Z軸負向放大機構的Z軸負向放大一維精密定位平臺，該種新型Z軸負向放大機構在加工過程中容易保證其加工精度，使工件的對稱性有很大提高，這樣就避免了新型Z軸負向放大機構的耦合位移。
[0011]—種Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:包括Z軸負向放大機構、用于保護Z軸負向放大機構的基座、位于Z軸負向放大機構上方的運動平臺，所述Z軸負向放大機構包括若干柔性臂、固定在柔性臂兩側的平行板、連接柔性臂與運動平臺的輸出件、壓電陶瓷安裝件以及與基座連接固定的底盤，所述平行板通過柔性鉸鏈與柔性臂柔性連接，位于所述平行板之間、所述Z軸負向放大機構下方、所述底盤上方的空間內設置有壓電陶瓷，所述壓電陶瓷通過設置在兩側的平行板上的壓電陶瓷安裝件固定。
[0012]優選地，所述壓電陶瓷安裝件包括預緊螺母以及鋼珠，與壓電陶瓷柔性連接。
[0013]優選地，所述預緊螺母采用細牙螺紋。
[0014]優選地，所述Z軸負向放大機構的放大倍數為4倍。
[0015]優選地，位于所述壓電陶瓷下方的底盤上設置有容納屏蔽線的保護套。
[0016]優選地，所述Z軸負向放大機構與基座螺釘連接。
[0017]優選地，所述運動平臺上表面設置有用于安裝運動件的連接螺紋。
[0018]優選地，所述運動平臺外圍設置有上蓋板，所述上蓋板架設于所述基座上。
[0019]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0020](1)本發明中采用基座保護Z軸負向放大機構，使Z軸負向放大機構不受外界干擾，以保證精密定位工作臺正常工作，同時在橫向方向上擁有更大的空間，結構更加緊湊，可以實現更大范圍的運動。
[0021](2)本發明中采用壓電陶瓷驅動器，體積小、位移分辨率高、響應速度快、輸出力大、換能效率高、靜態不發熱，有效提高定位平臺運作的穩定性。
[0022](3)本發明中對于壓電陶瓷驅動器的預緊裝置也有了很大程度上的改進，與以往的預緊裝置相比，本發明的預緊裝置的預緊螺母采用細牙螺紋，采用細牙螺紋防松防振效果好、可以精確微調預緊力，避免壓電陶瓷在安裝過程中的間隙所造成的運動誤差和壓電陶瓷的損壞。
[0023](4)在本發明一種Z軸負向放大一維精密定位平臺中，Z軸負向的運動由壓電陶瓷驅動，通過新型Z軸負向放大機構，將壓電陶瓷運動范圍放大，其中平行板柔性鉸鏈結構起到導向和輔助回復的作用，并且在柔性鉸鏈的保護下，平臺保持運動方向的一致性，而避免了垂直于運動方向的任何運動，以及外力的破壞。
[0024](5)本發明所設計的Z軸負向放大機構具有行程范圍大、精度高、結構簡單、體積小、剛度大、靈敏度高、分辨率極高、納米級、適宜作微動平臺等優點，在微機電系統、光學調整、超精密加工、STM(Scanning Tunneling Microscope，掃描隧道顯微鏡)和 AFM(AtomicForce Microscope，原子力顯微鏡)掃描平臺、微納操作、微小型機器人以及生物微操作等領域因其結構緊湊和易大范圍精確定位而擁有廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]為了更清晰地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本發明一種Z軸負向放大一維精密定位平臺結構示意圖；
[0027]圖2為本發明一種Z軸負向放大一維精密定位平臺俯視圖；
[0028]圖3為本發明一種Z軸負向放大一維精密定位平臺中Z軸負向放大機構的結構示意圖。
[0029]其中:
[0030]1、基座； 2、Z軸負向放大機構；
[0031]21、輸出件； 22、柔性臂； 23、壓電陶瓷安裝件； 24、底盤； 25、平行板；
[0032]3、運動平臺； 31、連接螺紋；
[0033]4、上蓋板； 5、柔性鉸鏈； 6、壓電陶瓷；
[0034]71?72、預緊螺母； 8、鋼珠； 9、保護套。
【具體實施方式】
[0035]為了改善Z軸負向放大一維精密定位平臺的輸出性能，本發明公開了一種Z軸負向放大一維精密定位平臺，在一個平面內采用Z軸負向一維的精密定位，并采用Z軸負向放大機構，有效得提高運動范圍放大倍數，減小精密定位平臺體積，使其更加緊湊，而且避免其他Z軸負向放大機構所帶來的角度誤差。
[0036]下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0037]一種Z軸負向放大一維精密定位平臺，包括Z軸負向放大機構2、用于保護Z軸負向放大機構2的基座1、位于Z軸負向放大機構1上方的運動平臺3，以及設置在運動平臺3外圍的上蓋板4。其中，Z軸負向放大機構2通過螺紋孔與Z軸負向放大一維精密定位平臺中基座1連接；z軸負向放大一維精密定位平臺中Z軸負向放大機構2是由線切割而成并且優選地具有八個鉸鏈點，Z軸負向放大一維精密定位平臺中運動平臺3處有用于安裝運動件的連接螺紋31。
[0038]如圖1?圖3所示，上述Z軸負向放大機構2包括若干柔性臂22、固定在柔性臂22兩側的平行板25、連接柔性臂22與運動平臺3的輸出件21、壓電陶瓷安裝件23以及與基座1連接固定的底盤24。其中，所述平行板25通過柔性鉸鏈5與柔性臂22實現柔性連接，位于所述平行板25之間、所述Z軸負向放大機構2下方、所述底盤24上方的空間內設置有壓電陶瓷6，所述壓電陶瓷6通過設置在兩側的平行板25上的壓電陶瓷安裝件23固定。Z軸負向的運動由壓電陶瓷6驅動，通過Z軸負向放大機構2，將壓電陶瓷6運動范圍放大。其中，平行板25與柔性鉸鏈5的連接結構起到導向和輔助回復的作用，并且在柔性鉸鏈5的保護下，平臺保持運動方向的一致性，而避免了垂直于運動方向的任何運動，以及外力的破壞。
[0039]優選地，如圖3所示，本發明Z軸負向放大一維精密定位平臺中壓電陶瓷6通過Z軸負向放大一維精密定位平臺中預緊螺母71?72、鋼珠8調整預緊力安裝于Z軸負向放大一維精密定位平臺的Z軸負向放大機構4之中，使得壓電陶瓷6在Z軸負向放大機構2中準確定位。與以往的預緊裝置相比，本發明中的預緊螺母71?72采用細牙螺紋，采用細牙螺紋防松防振效果好、可以精確微調預緊力，避免壓電陶瓷6在安裝過程中的間隙所造成的運動誤差和壓電陶瓷6自身的損壞。
[0040]如圖1?圖3所示，位于所述壓電陶瓷6下方的底盤24上設置有容納屏蔽線的保護套9，與上述壓電陶瓷6連接的屏蔽線通過該保護套9穿出，該Z軸負向一維精密定位平臺中壓電陶瓷6的形變通過Z軸負向放大機構2放大，由柔性鉸鏈5傳遞給運動平臺3輸出放大位移。
[0041]如圖3所示，本發明優選實施方式中，Z軸負向放大一維精密定位平臺中Z軸負向放大機構2，通過Z軸負向放大機構2的底盤24與Z軸負向放大一維精密定位平臺中基座1連接。通過Z軸負向放大機構2的柔性臂22，將壓電陶瓷6的位移放大輸出到Z軸負向放大機構2的輸出件21，輸出件21與運動平臺3連接，并將位移放大輸出運動平臺3。而本Z軸負向放大一維精密定位平臺中Z軸負向放大機構2中的壓電陶瓷安裝件23又包括預緊螺母71?72和鋼珠8，壓電陶瓷安裝件23通過該預緊螺母71?72和鋼珠8為壓電陶瓷6提供足夠的預緊力，避免壓電陶瓷6在安裝過程中的間隙所造成的運動誤差。
[0042]優選地，本Z軸負向放大一維精密定位平臺中新型Z軸負向放大機構2的放大倍數約為4倍，大大提高了原有杠桿Z軸負向放大機構的位移放大倍數。
[0043]本發明中Z軸負向放大機構中之所以采用柔性臂22、柔性鉸鏈5這樣的柔性設計，一方面是因為柔性機構會有一定的彈性反力產生，使得Z軸負向放大機構2的輸出位移相應的減少；另一方面柔性鉸鏈5是由于材料的彈性形變產生的位移，所以在形變過程中有一部分能量被材料本身吸收，同時會使壓電陶瓷6受較大的載荷，使其提供的驅動位移亦有減小。當外形尺寸受限，壓電陶瓷確定的情況下，此結構能夠獲得更大的位移輸出比。
[0044]本發明優選實施方式中，Z軸負向放大一維精密定位平臺中基座1、柔性鉸鏈2、Z軸負向放大機構4優選輕密度金屬材料(如鋁合金、鈦合金等)，預緊螺母71?72優選重密度金屬材料(如不銹鋼、銅等)，壓電陶瓷6 —般為PZT5類似硬壓電陶瓷材料等組成。
[0045]作為本發明的優選實施方式，為了結構的合理性，加工的可行性、成本等綜合因素的考慮，本發明中的基座1和Z軸負向放大機構2是分開的，即由同種材質不同加工工藝加工而成。這樣結構緊湊，且當外形尺寸受限且壓電陶瓷確定的情況下，此結構能夠獲得更大的位移輸出比。使用本精密定位工作臺時，當給壓電陶瓷6加上一個電壓激勵時壓電陶瓷6即會發生形變，同時頂住鋼珠8帶動Z軸負向放大機構2向軸向運動，Z軸負向放大機構2帶動安裝在其運動平臺3上部的系統運動。
[0046]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0047](1)本發明中采用基座保護Z軸負向放大機構，使Z軸負向放大機構不受外界干擾，以保證精密定位工作臺正常工作，同時在橫向方向上擁有更大的空間，結構更加緊湊，可以實現更大范圍的運動。
[0048](2)本發明中采用壓電陶瓷驅動器，體積小、位移分辨率高、響應速度快、輸出力大、換能效率高、靜態不發熱，有效提高定位平臺運作的穩定性。
[0049](3)本發明中對于壓電陶瓷驅動器的預緊裝置也有了很大程度上的改進，與以往的預緊裝置相比，本發明的預緊裝置的預緊螺母采用細牙螺紋，采用細牙螺紋防松防振效果好、可以精確微調預緊力，避免壓電陶瓷在安裝過程中的間隙所造成的運動誤差和壓電陶瓷的損壞。
[0050](4)在本發明一種Z軸負向放大一維精密定位平臺中，Z軸負向的運動由壓電陶瓷驅動，通過新型z軸負向放大機構，將壓電陶瓷運動范圍放大，其中平行板柔性鉸鏈結構起到導向和輔助回復的作用，并且在柔性鉸鏈的保護下，平臺保持運動方向的一致性，而避免了垂直于運動方向的任何運動，以及外力的破壞。
[0051](5)本發明所設計的Z軸負向放大機構具有行程范圍大、精度高、結構簡單、體積小、剛度大、靈敏度高、分辨率極高、納米級、適宜作微動平臺等優點，在微機電系統、光學調整、超精密加工、STM(Scanning Tunneling Microscope，掃描隧道顯微鏡)和 AFM(AtomicForce Microscope，原子力顯微鏡)掃描平臺、微納操作、微小型機器人以及生物微操作等領域因其結構緊湊和易大范圍精確定位而擁有廣泛的應用前景。
[0052]對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發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本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0053]此外，應當理解，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方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:包括Z軸負向放大機構、用于保護Z軸負向放大機構的基座、位于Z軸負向放大機構上方的運動平臺，所述Z軸負向放大機構包括若干柔性臂、固定在柔性臂兩側的平行板、連接柔性臂與運動平臺的輸出件、壓電陶瓷安裝件以及與基座連接固定的底盤，所述平行板通過柔性鉸鏈與柔性臂柔性連接，位于所述平行板之間、所述Z軸負向放大機構下方、所述底盤上方的空間內設置有壓電陶瓷，所述壓電陶瓷通過設置在兩側的平行板上的壓電陶瓷安裝件固定。
2.根據權利要求1所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:所述壓電陶瓷安裝件包括預緊螺母以及鋼珠，與壓電陶瓷柔性連接。
3.根據權利要求2所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:所述預緊螺母采用細牙螺紋。
4.根據權利要求1所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:所述Z軸負向放大機構的放大倍數為4倍。
5.根據權利要求1所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:位于所述壓電陶瓷下方的底盤上設置有容納屏蔽線的保護套。
6.根據權利要求1所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:所述Z軸負向放大機構與基座螺釘連接。
7.根據權利要求1所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:所述運動平臺上表面設置有用于安裝運動件的連接螺紋。
8.根據權利要求1所述的Z軸負向放大一維精密定位平臺，其特征在于:所述運動平臺外圍設置有上蓋板，所述上蓋板架設于所述基座上。
【文檔編號】G12B5/00GK104464838SQ201410784590
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】鐘博文, 王振華, 金子祺, 陳林森, 錢哲, 李宗偉, 孫立寧 申請人:蘇州大學