两转动一平动大行程无耦合大中空并联压电微动平台的制作方法

本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的微位移机构，特别涉及两转动一平动大行程无耦合大中空并联压电微动平台。

背景技术：

压电微动平台是一种通过压电执行器驱动可产生弹性变形的柔性机构来传递位移与力的微位移机构。由于它没有铰链和轴承，所以不需要装配，不存在传动间隙，不产生摩擦与磨损；由于采用压电执行器驱动，故其位移分辨率可达到纳米级，响应时间可达到毫秒级，且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如，在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在mems（微机电系统）装配中，同微夹钳相结合，可将微轴、微齿轮装配成微部件；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。

现有两转动（绕x、y轴旋转）一平动（沿z向移动）并联压电微动平台大都基于stewart并联平台结构，通过三个或四个实现驱动功能的连杆将动平台和定平台相连接来实现。这种实现方式平台刚度高，响应快，但也存在以下不足：由于连杆较长，使动平台远离定平台，进而使平台结构庞大、不紧凑；由于未采用位移放大机构，平台位移行程小；绕一个轴旋转时，同时会产生绕另一个轴的耦合转角。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供一种结构简单紧凑、位移行程大、无位移耦合的的两转动一平动并联压电微动平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：两转动一平动大行程无耦合大中空并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，动台面间隙设有底座，底座设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元独立伸缩且设于动台面下，第一驱动单元与第二驱动单元之间设有正对动台面的第一位移传感器，第三驱动单元与第四驱动单元之间设有正对动台面的第二位移传感器，第一驱动单元与第四驱动单元之间设有正对动台面的第三位移传感器。设垂直于动台面为z轴，第二驱动单元到第一驱动单元为y轴，第二驱动单元到第三驱动单元为x轴。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元这四个驱动单元的结构相同，包括压电执行器，以及分别呈环状的一级桥式放大机构和二级桥式放大机构，一级桥式放大机构平行于底座，压电执行器的两端顶设于一级桥式放大机构内，二级桥式放大机构套设于一级桥式放大机构的外围，且二级桥式放大机构所在的平面垂直于压电执行器的伸缩方向，二级桥式放大机构螺固于动台面和底座。二级桥式放大机构中的第三柔性薄板使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。当压电执行器通电伸长时，一级桥式放大机构中的第三刚性部和第四刚性部向压电执行器方向收缩，二级桥式放大机构中的第五刚性部和第六刚性部向压电执行器方向收缩，从而使二级桥式放大机构中的第七刚性部向上位移，继而使动台面抬升；当压电执行器断电后，动台面恢复原位。由一级桥式放大机构和二级桥式放大机构所构成的双桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。

上述的一级桥式放大机构包括顶设于压电执行器两端的第一刚性部和第二刚性部，以及间隙分设于压电执行器两侧的第三刚性部和第四刚性部，使第一刚性部、第三刚性部、第二刚性部和第四刚性部两两连接的第一柔性薄板；二级桥式放大机构包括螺固于第三刚性部的第五刚性部，螺固于第四刚性部的第六刚性部，螺固于动台面的第七刚性部，螺固于底座的第八刚性部；使第五刚性部、第七刚性部、第六刚性部和第八刚性部两两连接的第三柔性薄板，一级桥式放大机构和的二级桥式放大机构分别呈菱形。

上述的一级桥式放大机构设有使第一刚性部、第三刚性部、第二刚性部和第四刚性部两两连接的第二柔性薄板，第二柔性薄板间隙设于压电执行器和第一柔性薄板之间。

一级桥式放大机构中一对平行设置的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第三刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部另一侧的一对平行设置的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第三刚性部、第二刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第二刚性部也构成双平行四连杆机构，在压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第三刚性部和第四刚性部沿第二螺纹孔和第三螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，从而使第七刚性部沿第一螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

二级桥式放大机构中的第三柔性薄板使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

上述的第七刚性部正对动台面设有第一螺纹孔，动台面设有与第一螺纹孔相对应的第一沉孔，第一沉孔和第一螺纹孔螺固有第一螺钉；第八刚性部正对底座设有第四螺纹孔，底座设有与第四螺纹孔相对应的第二沉孔，第二沉孔和第四螺纹孔螺固有第四螺钉；第三刚性部正对第五刚性部设有第二螺纹孔，第五刚性部设有与第二螺纹孔相对应的第一通孔，第一通孔和第二螺纹孔螺固有第二螺钉；第四刚性部正对第六刚性部设有第三螺纹孔，第六刚性部设有与第三螺纹孔相对应的第二通孔，第二通孔和第三螺纹孔螺固有第三螺钉；第一刚性部设有连通压电执行器的第六螺纹孔，第六螺纹孔内旋设有第六螺钉。

上述的第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器的结构相同，包括螺固于底座的基座，以及螺固于基座上的传感器探头。

上述的基座包括螺固于底座的第一板体，平行设置于第一板体和动台面之间且螺固有传感器探头的第二板体，，连接于第一板体和第二板体之间的一对柔性折叠梁，第一板体的中央设有第七螺纹孔，第七螺纹孔内旋设有第七螺钉，第七螺钉的末端顶设于第二板体。通过第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器便能获得动台面实现两转动运动时的转角位移大小和一平动运动时的直线位移大小。

上述的第一板体设有第三沉孔，底座设有与第三沉孔相对应的第五螺纹孔，第三沉孔和第五螺纹孔螺固有第五螺钉。

上述的底座设有与第七螺纹孔相对应的第三通孔。

上述的底座的外围设有围挡，中央设有贯通底座的管状体，围挡和管状体间隙设于动台面的下方，所述的动台面设有与管状体轮廓相适配的中空孔；一级桥式放大机构、二级桥式放大机构和底座分别为一体成型结构。与现有技术相比，本发明的两转动一平动大行程无耦合大中空并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，动台面间隙设有底座，底座设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元独立伸缩且设于动台面下，第一驱动单元与第二驱动单元之间设有正对动台面的第一位移传感器，第三驱动单元与第四驱动单元之间设有正对动台面的第二位移传感器，第一驱动单元与第四驱动单元之间设有正对动台面的第三位移传感器。通过协调控制第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的运动能实现动台面的两转动一平动，与现有两转动一平动并联压电微动台面相比，本发明的优点是：

1)相对于现有两转动一平动并联压电微动平台中用于连接动平台和定平台的连杆较长，使动平台远离定平台，进而使平台结构庞大、不紧凑，本发明中驱动单元的输出方向垂直于压电执行器的轴线，压电执行器的轴线平行于动台面与底座底面，动台面靠近底座底面，从而使平台整体结构简单紧凑。

2)驱动单元中的两级桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。

3)一级桥式放大机构中一对平行设置的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第三刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部另一侧的一对平行设置的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第三刚性部、第二刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第一柔性薄板、第二柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第二刚性部也构成双平行四连杆机构，在压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第三刚性部和第四刚性部沿第二螺纹孔和第三螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，从而使第七刚性部沿第一螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

4)二级桥式放大机构中的第三柔性薄板使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

5)驱动单元整体结构紧凑，使其能够设置于底座四角，为底座集成位移传感器（如电容式位移传感器）预留出了足够的空间，从而使位移传感器（如电容式位移传感器）的集成易于实现。

6)驱动单元靠近底座的四角，位移传感器靠近底座的围挡，从而能使动台面及管状体具有大中空，这不仅能显著减小动台面的质量，大大提高平台的固有频率，而且当平台用作光学系统的调节机构时，这种大中空孔可以作为大通光孔径。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是图2中去除动台面和第一螺钉后的分解示意图；

图4是图3中第一驱动单元的立体结构示意图；

图5是图4的分解示意图；

图6是本发明第一位移传感器的立体结构示意图；

图7是图6的内部结构示意图；

图8是第一驱动单元和第三位移传感器与动台面和底座装配后的结构示意图；

图9是本发明一级桥式放大机构的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图9为本发明的结构示意图，其中的附图标记为：底座1、围挡11、管状体12、第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23、第四驱动单元24、基座3、第一板体301、柔性折叠梁302、第二板体303、传感器探头304、第一位移传感器31、第二位移传感器32、第三位移传感器33、一级桥式放大机构41、二级桥式放大机构42、压电执行器43、第一刚性部411、第二刚性部412、第三刚性部413、第四刚性部414、第一柔性薄板415、第二柔性薄板416、第五刚性部421、第六刚性部422、第七刚性部423、第八刚性部424、第三柔性薄板415、动台面5、中空孔51、第一螺钉61、第一螺纹孔611、第一沉孔612、第二螺钉62、第二螺纹孔621、第一通孔622、第三螺钉63、第三螺纹孔631、第二通孔632、第四螺钉64、第四螺纹孔641、第二沉孔642、第五螺钉65、第五螺纹孔651、第三沉孔652、第六螺钉66、第六螺纹孔661、第七螺钉67、第七螺纹孔671、第三通孔672。

图1至图9为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的两转动一平动大行程无耦合大中空并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面5，动台面5间隙设有底座1，底座1设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24；第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24独立伸缩且设于动台面5下，第一驱动单元21与第二驱动单元22之间设有正对动台面5的第一位移传感器31，第三驱动单元23与第四驱动单元24之间设有正对动台面5的第二位移传感器32，第一驱动单元21与第四驱动单元24之间设有正对动台面5的第三位移传感器33。第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24用来产生垂直于动台面5的独立伸缩运动；第一位移传感器31、第二位移传感器32和第三位移传感器33用来测量动台面5抬升的位移量；通过协调控制第一驱动器21、第二驱动器22、第三驱动器23、第四驱动器24的运动能实现动台面5的两平动一转动。设垂直于动台面5为z轴，第二驱动单元22到第一驱动单元21为y轴，第二驱动单元22到第三驱动单元23为x轴

实施例中，如图4、5所示，第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24这四个驱动单元的结构相同，包括压电执行器43，以及分别呈环状的一级桥式放大机构41和二级桥式放大机构42，一级桥式放大机构41平行于底座1，压电执行器43的两端顶设于一级桥式放大机构41内，二级桥式放大机构42套设于一级桥式放大机构41的外围，且二级桥式放大机构42所在的平面垂直于压电执行器43的伸缩方向，二级桥式放大机构42螺固于动台面5和底座1；当压电执行器43通电伸长时，一级桥式放大机构41中的第三刚性部413和第四刚性部414向压电执行器43方向收缩，二级桥式放大机构42中的第五刚性部421和第六刚性部422向压电执行器43方向收缩，从而使二级桥式放大机构42中的第七刚性部423向上位移，继而使动台面5抬升；当压电执行器43断电后，动台面5恢复原位。由一级桥式放大机构41和二级桥式放大机构42所构成的双桥式放大机构能将压电执行器43的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面5的位移行程。

实施例中，如图4、5和图9所示，一级桥式放大机构41包括顶设于压电执行器43两端的第一刚性部411和第二刚性部412，以及间隙分设于压电执行器43两侧的第三刚性部413和第四刚性部414，使第一刚性部411、第三刚性部413、第二刚性部412和第四刚性部414两两连接的第一柔性薄板415；二级桥式放大机构42包括螺固于第三刚性部413的第五刚性部421，螺固于第四刚性部414的第六刚性部422，螺固于动台面5的第七刚性部423，螺固于底座1的第八刚性部424；使第五刚性部421、第七刚性部423、第六刚性部422和第八刚性部424两两连接的第三柔性薄板415，一级桥式放大机构41和的二级桥式放大机构42分别呈菱形。当压电执行器43通电时，压电执行器43能伸长，撑开第一刚性部411和第二刚性部412，通过第一柔性薄板415牵拉聚拢第三刚性部413和第四刚性部414，第三刚性部413和第四刚性部414又分别牵拉第五刚性部421和第六刚性部422，继而通过第三柔性薄板415推动第七刚性部423往动台面5方向抬升，最终第七刚性部423推动动台面5抬升；当压电执行器43断电后，第七刚性部423带动动台面5复位。

设垂直于动台面5为z轴，第二驱动单元22到第一驱动单元21为y轴，第二驱动单元22到第三驱动单元23为x轴，二级桥式放大机构42中的第三柔性薄板425使第七刚性部423既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部423在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面5在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

实施例中，如图4、5和图9所示，一级桥式放大机构41设有使第一刚性部411、第三刚性部413、第二刚性部412和第四刚性部414两两连接的第二柔性薄板416，第二柔性薄板416间隙设于压电执行器43和第一柔性薄板415之间；一级桥式放大机构41中一对平行的第一柔性薄板415和第二柔性薄板416同第三刚性部413、第一刚性部411构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部413另一侧的一对平行的第一柔性薄板415和第二柔性薄板416同第三刚性部413、第二刚性部412也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部414两侧的第一柔性薄板415和第二柔性薄板416同第四刚性部414、第一刚性部411、第二刚性部412也构成双平行四连杆机构，在驱动单元受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第三刚性部413和第四刚性部414沿第二螺纹孔621和第三螺纹孔631的轴线输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

实施例中，如图4和图5所示，第七刚性部423正对动台面5设有第一螺纹孔611，如图2所示，动台面5设有与第一螺纹孔611相对应的第一沉孔612，如图1、2和图7所示，第一沉孔612和第一螺纹孔611螺固有第一螺钉61；如图5所示，第八刚性部424正对底座1设有第四螺纹孔641，如图3所示，底座1设有与第四螺纹孔641相对应的第二沉孔642，如图3、5和图8所示，第二沉孔642和第四螺纹孔641螺固有第四螺钉64；如图9所示，第三刚性部413正对第五刚性部421设有第二螺纹孔621，如图5所示，第五刚性部421设有与第二螺纹孔621相对应的第一通孔622，如图4和图5所示，第一通孔622和第二螺纹孔621螺固有第二螺钉62；如图5所示，第四刚性部414正对第六刚性部422设有第三螺纹孔631，第六刚性部422设有与第三螺纹孔631相对应的第二通孔62，第二通孔62和第三螺纹孔631螺固有第三螺钉63；第一刚性部411设有连通压电执行器43的第六螺纹孔661，第六螺纹孔661内旋设有第六螺钉66。

实施例中，如图3、6和图7所示，第一位移传感器31、第二位移传感器32和第三位移传感器33的结构相同，包括螺固于底座1的基座3，以及螺固于基座3上的传感器探头304。

实施例中，如图3、6和图7所示，基座3包括螺固于底座1的第一板体301，平行设置于第一板体301和动台面5之间且螺固有传感器探头304的第二板体303，连接于第一板体301和第二板体303之间的一对柔性折叠梁302，第一板体301的中央设有第七螺纹孔671，第七螺纹孔671内旋设有第七螺钉67，第七螺钉67的末端顶设于第二板体303。旋转第七螺钉67能调整第一板体301和第二板体303之间的距离，从而调整传感器探头304与动台面5之间的距离。通过第一位移传感器31、第二位移传感器32和第三位移传感器33便能获得动台面5实现两转动运动时的转角位移大小和一平动运动时的直线位移大小。

实施例中，如图7所示，第一板体301设有第三沉孔652，如图3所示，底座1设有与第三沉孔652相对应的第五螺纹孔651，如图8所示，第三沉孔652和第五螺纹孔651螺固有第五螺钉65。卸下第五螺钉65就能更换第一位移传感器31、第二位移传感器32和第三位移传感器33。

实施例中，如图8所示，底座1设有与第七螺纹孔671相对应的第三通孔672。将螺丝刀探入第三通孔672就能调节第七螺钉67，继而调整传感器探头304与动台面5之间的距离，避免拆开平台。

实施例中，如图1和图2所示，底座1的外围设有围挡11，中央设有贯通底座1的管状体12，围挡11和管状体12间隙设于动台面5的下方，所述的动台面5设有与管状体12轮廓相适配的中空孔51。围挡11和管状体12能防止灰尘进入平台内中空孔中空孔；中空孔51不仅能减小底座1及动台面5的质量，而且当平台用作光学系统的调节机构是，还能当作通光孔径；一级桥式放大机构41、二级桥式放大机构42和底座1分别为一体成型结构。本发明的工作原理为：

设垂直于动台面5为z轴，第二驱动单元22到第一驱动单元21为y轴，第二驱动单元22到第三驱动单元23为x轴；则动台面5产生两转动一平动的运动过程如下：

若只给第二驱动单元22和第三驱动单元23施加相同的电压，则第二驱动单元22和第三驱动单元23抬升，动台面5仅绕x轴产生转角设为正向转角，而不会绕y轴产生耦合转角；若只给第一驱动单元21和第四驱动单元24施加相同的电压，则第一驱动单元21和第四驱动单元24抬升，动台面5仅绕x轴产生反向转角，而不会绕y轴产生耦合转角。

若只给第一驱动单元21和第二驱动单元22施加相同的电压，则第一驱动单元21和第二驱动单元22抬升，动台面5仅绕y轴产生转角设为正向转角，而不会绕x轴产生耦合转角；若只给第三驱动单元23和第四驱动单元24施加相同的电压，则第三驱动单元23和第四驱动单元24抬升，动台面5仅绕y轴产生反向转角，而不会绕x轴产生耦合转角。

若对第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24同时施加相同的电压，则这四个驱动单元沿z向输出相同的位移，与驱动单元连接的动台面5沿z向输出严格的直线位移，而不会产生耦合位移。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。