大行程纳米定位平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大行程纳米定位平台，其包括本体、形成于本体中的放大机构、以及压电陶瓷，放大机构包括：分别位于矩形的四个顶点的第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点，第二铰链点、第三铰链点上方为放大机构的运动平台，第一铰链点、第二铰链点一侧为放大机构的放大边，放大边中安装有预紧顶丝；本体上安装有底盖板，压电陶瓷设置于本体内部，压电陶瓷一端与底盖板固定连接，另一端通过滚珠与预紧顶丝相抵靠，滚珠安装于所述预紧顶丝中。本发明的大行程纳米定位平台依靠压电陶瓷驱动电源的电压激励，实现压电陶瓷的纳米级微位移形变，同时通过放大机构对上述纳米级微位移进行放大来实现大行程、无间隙、无耦合的位移传动。
【专利说明】大行程纳米定位平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及微驱动应用领域，具体涉及一种大行程纳米定位平台。
【背景技术】
[0002]随着纳米技术的兴起和迅猛发展，基于压电驱动的纳米级微定位技术已成为微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、细胞操作等诸多前沿技术的基础支持技术。
[0003]其中，压电陶瓷驱动器是近几年发展起来的新型微位移器件，它以体积小、驱动力大、分辨率高、易于控制等优点作为驱动元件在精密机械当中得到广泛的应用。压电陶瓷是利用压电材料的逆压电效应来工作的，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动。压电陶瓷克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、响应快、无发热、不受磁场干扰、可在低温，真空环境下使用等优点，被广泛应用于微定位技术中，这种可控的精密微位移执行器必将在今后诸多【技术领域】中发挥难以估量的作用。例如，将压电陶瓷驱动器应用于精密定位平台中，作为精密定位平台的驱动装置。
[0004]虽然压电陶瓷驱动器具有高精密位移输出的优点，但同时其输出位移相当微小，不能满足有较大微位移输出要求的应用场合，在实际应用中常常需要将压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大，以满足大行程高精确定位的需要。
[0005]因此，需要放大机构对压电陶瓷的输出位移进行放大。目前根据对压电陶瓷位移放大方式的不同，精密定位平台主要分为直接驱动式、杠杆放大式、和椭圆放大式、及菱形放大式精密定位平台。其中杠杆放大式精密定位平台的主要目的是将压电陶瓷的运动范围进行放大，通过杠杆放大原理，以及具有旋转副的柔性铰链机构实现沿支点的旋转，通过杠杆机构进行放大，其放大倍数可以达到2-3倍，使得由压电陶瓷驱动的精密定位平台的运动范围有效地提高。但是在运动范围放大的同时，也由于杠杆式放大存在微小的角度变化，因此会对最终实现的放大位移带来微小的角度误差。
[0006]椭圆放大式和菱形放大式精密定位平台采用压杆失稳原理实现运动放大，运动放大机构基于材料力学中的压杆失稳原理设计而成。当压电陶瓷伸长时，机构两端受到由内向外的推力，圆弧形薄壁壳的曲率发生变化，其弧面最高点发生向下移动，向下的位移量比陶瓷自身的伸长位移要大得多，即位移被放大。但此类机构圆弧处应力较大，易产生应力集中。
[0007]因此，针对上述问题，有必要提供一种改良的精密定位平台。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明提供了一种大行程纳米定位平台，其能够解决目前在精密定位装置中体积过大、行程过小、定位精度达不到要求、响应时间慢等问题。
[0009]为了实现上述目的，本发明的一种大行程纳米定位平台，其包括本体、形成于所述本体中的放大机构、以及压电陶瓷，[0010]所述放大机构包括:分别位于矩形的四个顶点的第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点，所述第二铰链点、第三铰链点上方为放大机构的运动平台，所述第一铰链点、第二铰链点一侧为放大机构的放大边，所述放大边中安装有预紧顶丝，且所述预紧顶丝安装于所述第一铰链点上方，且临近所述第一铰链点位置处；
[0011]所述本体上安装有底盖板，所述压电陶瓷设置于所述本体内部，所述压电陶瓷一端与所述底盖板固定连接，另一端通过滚珠与预紧顶丝相抵靠，所述滚珠安装于所述预紧顶丝中。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述预紧顶丝的数量为两个，所述两个预紧顶丝的安装螺纹的螺纹方向的方向相反。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述安装螺纹为M4*0.35型细牙螺纹。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述滚珠通过过盈配合的方式安装于所述预紧顶丝中。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷在电压的作用下具有伸长量Sx，所述伸长量Sx经所述放大机构放大后，所述运动平台的位移量为X，定义C=X/Sx，所述C的范围为7 ?14。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷的两端分别粘帖有钨钢片，所述底盖板上形成有与所述一端的钨钢片相配合的凹槽，所述相应端的钨钢片卡合于所述凹槽中，另一端的钨钢片与所述滚珠相抵靠。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述放大机构与所述本体一体成型。
[0018]作为本发明的进一步改进，所述本体和放大机构的材质为超硬铝。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷为锆钛酸铅。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明的大行程纳米定位平台依靠压电陶瓷驱动电源的电压激励，实现压电陶瓷的微位移形变，从而实现纳米定位。同时通过放大机构对上述纳米级微位移进行放大，从而实现大行程、无间隙、无耦合的传动。
[0021]此外，本发明的大行程纳米定位平台结构紧凑，放大比例大，加工方便，灵敏度高，线性度好，可以有效的减少放大过程中的耦合误差。本发明的大行程纳米定位平台还具有成本较低，其压电陶瓷带动放大机构运动的同时不存在摩擦力，且安装固定时损坏机率减小的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本发明的大行程纳米定位平台一【具体实施方式】的平面示意图；
[0024]图2为图1中大行程纳米定位平台的剖视图；
[0025]图3为本发明的大行程纳米定位平台的放大机构的运动状态示意图，其中F代表作用力，B代表作用力的作用点，X代表运动平台的位移；
[0026]图4为图1中底盖板的平面示意图。【具体实施方式】
[0027]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0028]如图1、图2所示，本发明的大行程纳米定位平台100包括本体10、形成于上述本体10中的放大机构20、以及压电陶瓷30。其中，本体10上开设有用于固定的螺纹孔和通孔101。上述放大机构20包括:分别位于矩形的四个顶点的第一铰链点201、第二铰链点202、第三铰链点203、第四铰链点204。上述第一铰链点201和第四铰链点204为纯滚动点，第二铰链点202和第三铰链点203上形成有放大机构20的运动平台21，该运动平台21上设置有用于安装运动件的连接螺纹。上述第一铰链点201和第二铰链点202 —侧为放大机构20的放大边22，该放大边22中安装有预紧顶丝40。
[0029]预紧顶丝40不仅可对上述压电陶瓷30提供预紧力，而且从预紧顶丝40处可传递对放大机构20的作用力。上述预紧顶丝40可安装于第一铰链点201上方，且临近上述第一铰链点201位置处。上述预紧顶丝的数量为两个，且两个预紧顶丝的与本体相配合的安装螺纹的螺纹方向相反，如此可防止预紧顶丝安装后发生松动。此外，上述安装螺纹为M4*0.35型细牙螺纹，通过该细牙螺纹可消除预紧顶丝与本体之间的安装间隙，且可通过预紧顶丝进行微调。
[0030]配合参照图3所示，当在B处对放大机构施加作用力F时，B处产生位移Sx，从而运动平台可获得一较大的位移X。定义Sx与X的比值为位移输出比C，即C=Sx/X。该位移输出比C可用于衡量放大机构的放大倍数，本实施中的放大机构的位移输出比C的范围在7?14时，具有较优的放大倍数。上述位移输出比C的具体数值，可通过预紧顶丝的安装位置进行调节，从而使放大机构具有较优的位移输出比。
[0031]如图4所示，上述压电陶瓷30作为大行程纳米定位平台的驱动装置，其设置于本体10内部，本实施方式中压电陶瓷优选为锆钛酸铅。上述压电陶瓷30—端与本体10的底盖板50固定连接，另一端通过滚珠60与预紧顶丝40相抵靠，上述滚珠60安装于上述预紧顶丝40中。优选地，上述滚珠60通过过盈配合的方式安装于上述预紧顶丝40中，从而使二者能够紧密的配合。压电陶瓷的屏蔽线通过底盖板50上的孔洞501穿出。当压电陶瓷在外界电压下产生一伸长量时，其可对预紧顶丝施加一作用力，使放大机构预紧顶丝位置处产生相应的位移，该位移经放大机构放大后使运动平台产生一更大的位移。从而，上述位移输出比C也等于压电陶瓷的伸长量与运动平台的位移量的比值。此外，在压电陶瓷40通过预紧顶丝40传递驱动力的同时，预紧顶丝40可对压电陶瓷40提供预紧力，以防止压电陶瓷安装后发生松动。
[0032]进一步地，上述压电陶瓷30的两端分别粘帖有钨钢片70，粘帖时，可采用环氧胶将二者粘帖在一起。上述底盖板50上形成有与上述一端的钨钢片70相配合的凹槽502，上述相应端的钨钢片70卡合于上述凹槽502中，另一端的钨钢片70与上述滚珠60相抵靠。当调节预紧顶丝40对压电陶瓷30提供预紧力时，预紧力可通过滚珠60传递至钨钢片70上，由于钨钢片70具有较高的硬度，施加的预紧力可均匀的作用在压电陶瓷30上，从而提供均匀的预紧力。此外，滚珠60与钨钢片70之间为点面接触，即产生运动高副，其好处在于即使预紧顶丝安装于放大边后不与压电陶瓷的端面相垂直，也可保证压电陶瓷不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护的压电陶瓷，减少了压电陶瓷的损耗。
[0033]进一步地，上述放大机构20与本体10为一体成型，即放大机构由本体经过数控铣、钻和线切割等工艺加工形成自身连接的整体。如此设置，结构紧凑，且当外形尺寸受限且压电陶瓷确定的情况下，能够获得更大的位移输出比，避免了传动中的空程和摩擦等约束对其精度的影响。
[0034]本发明的放大机构20为柔性机构，相应的第一铰链点201、第二铰链点202、第三铰链点203、第四铰链点204为柔性铰链点。如此，压电陶瓷带动柔性铰链运动的同时不存在摩擦力，安装固定时损坏机率减小，成本减小，并且便于大行程纳米定位平台的固定与连接。本发明的柔性机构的弹性变形和输出力与材料的弹性模量E以及其屈服极限Sy成正t匕，为了增大柔性铰链的运动范围，在一定程度上来说，所选柔性铰链材料的弹性模量E以及屈服极限Sy愈大愈好，但同时必须满足以下要求1、柔性铰链点具有最大变形时的恢复力要小于压电陶瓷的最大驱动力；2、柔性铰链点最大变形时的最大应力要小于材料的许用应力。综合以上因素，上述本体和放大机构的材质优选为超硬铝。
[0035]综上所述，本发明的大行程纳米定位平台依靠压电陶瓷驱动电源的电压激励，实现压电陶瓷的微位移形变，从而实现纳米定位。同时通过放大机构对上述纳米级微位移进行放大，从而实现大行程、无间隙、无耦合的传动。
[0036]此外，本发明的大行程纳米定位平台结构紧凑，放大比例大，加工方便，灵敏度高，线性度好，可以有效的减少放大过程中的耦合误差。本发明的大行程纳米定位平台还具有成本较低，其压电陶瓷带动放大机构运动的同时不存在摩擦力，且安装固定时损坏机率减小的优点。
[0037]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0038]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【权利要求】
1.一种大行程纳米定位平台，其包括本体、形成于所述本体中的放大机构、以及压电陶瓷，其特征在于， 所述放大机构包括:分别位于矩形的四个顶点的第一铰链点、第二铰链点、第三铰链点、第四铰链点，所述第二铰链点、第三铰链点上方为放大机构的运动平台，所述第一铰链点、第二铰链点一侧为放大机构的放大边，所述放大边中安装有预紧顶丝，且所述预紧顶丝安装于所述第一铰链点上方，且临近所述第一铰链点位置处； 所述本体上安装有底盖板，所述压电陶瓷设置于所述本体内部，所述压电陶瓷一端与所述底盖板固定连接，另一端通过滚珠与预紧顶丝相抵靠，所述滚珠安装于所述预紧顶丝中。
2.根据权利要求1所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述预紧顶丝的数量为两个，所述两个预紧顶丝的安装螺纹的螺纹方向的方向相反。
3.根据权利要求2所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述安装螺纹为M4*0.35型细牙螺纹。
4.根据权利要求1所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述滚珠通过过盈配合的方式安装于所述预紧顶丝中。
5.根据权利要求1所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷在电压的作用下具有伸长量Sx，所述伸长量Sx经所述放大机构放大后，所述运动平台的位移量为X，定义C=X/Sx，所述C的范围为7?14。
6.根据权利要求1所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷的两端分别粘帖有钨钢片，所述底盖板上形成有与所述一端的钨钢片相配合的凹槽，所述相应端的钨钢片卡合于所述凹槽中，另一端的钨钢片与所述滚珠相抵靠。
7.根据权利要求1所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述放大机构与所述本体一体成型。
8.根据权利要求6所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述本体和放大机构的材质为超硬招。
9.根据权利要求1所述的大行程纳米定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷为锆钛酸铅。
【文档编号】H01L41/09GK103883849SQ201410123284
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】钟博文, 杨湛, 王振华, 钱哲, 金子祺, 李宗伟, 孙立宁 申请人:苏州大学