专利名称：精密运动工作台中的使用了摩擦驱动器和挠性铰链的装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种精密运动系统，特别地讲，涉及一种方法和装置，其使用了带有挠性铰链的摩擦驱动器，从而可以提供出低成本、高速度和紧凑型纳米级解析度的精密运动工作台。
一种替代这些复杂精密系统的系统是使用摩擦驱动器的运动系统。摩擦驱动器通常包括由动力源例如电机转动的驱动轴及沿直线方向移动的工作台，所述工作台受到因所述轴转动而施加在其上的摩擦力(推力)的作用而作直线运动。单独的高精度导块例如空气轴承或液压轴承通常用来保持工作台作直线运动。这样，摩擦驱动电机和运动导块通过长于工作台直线运动范围的棒或杆连接在一起，从而会降低系统刚度，并进而降低工作台运动解析度。导块也会增加精密运动系统的成本和复杂性。
在精密运动系统中使用摩擦驱动器还有另外一个问题是需要提供一致的预加载力。通常，摩擦电机是固定的，并且预加载力通过支承辊施加在直线工作台上。然而，支承辊会增加精密运动系统的重量、成本、尺寸和复杂性。为了保持一致的预加载力作用在摩擦驱动器上，精密运动系统的速度也会受到限制。
因此，需要一种价格不贵而且紧凑并能高速工作的具有纳米级运动解析度的精密运动系统。
显然，上面的概述和下面的详细描述都是示例性的，本发明并不限制于此。
如果用在精密定位装置中，上述现有技术的摩擦驱动系统具有一个问题。直线导块70和支承辊40增大了该摩擦驱动系统的体积和重量。在许多需要精密定位装置的应用场合，例如光学器件制作，空间非常宝贵，这是因为这种应用必须在无灰尘的环境中完成。精密定位装置尺寸的增大也可能对部件和成品组件相对所述精密定位装置作移近和远离传送时而必需的距离产生负面影响，这样就会增加制作应用的成本和复杂性。精密定位装置也可安装在用于与不同轴线相对正的第二定位装置上，因此重量的增加就会对第二定位装置中所需要的推力产生负面影响。此外，直线导块70和支承辊40会增加系统成本，同时因为它们增加了零件数目，所以还可能会降低系统可靠性。
另外，任何直线导块在其移动长度上相对理想直线来说都会引入一定量的误差。因此，如果在驱动轴100的接触区域不能保持从动件与静止轴的对正，支承辊就不能提供恒定力，或为了维持对正而在从动件20中产生应力。这两者情况都会阻止从动件20的平滑运动，从而降低了定位解析度。此外，接触区域101在空间的任何移动都会转化为直线运动的重复性误差。
如图2所示，在本发明示例性实施例中，驱动轴100由电机30沿着转动方向140转动。驱动轴100具有与从动件201的摩擦表面220接触的接触区域101。从动件201为直线轴承200的横辊道，其能与直线运动台(未示出)或提供精确运动的其他装置形成一体，也可连接或固定在这种设备上。驱动轴100被施加穿过其自身的预加载力103推向摩擦表面220。预加载力103在接触区域101处的驱动轴100和摩擦表面220之间产生接触力。驱动轴100的转动和该接触力会产生作用在从动件201上的摩擦力或推力260。推力260使得从动件221产生运动。该运动被直线轴承200直线限定。
如图2所示，驱动轴100通过挠性铰链301在接触区域101连接在摩擦表面220上。挠性铰链301包括通过在支承结构300中加工狭缝306而形成的细长薄壁段。铰链301的宽度足够得薄，以致于能够在接触区域101处使轴100在一定范围内运动，该运动范围能在从动件201运动的长度上充分补偿相对于理想直线的运动误差。然而，狭缝306的宽度非常小，以允许产生弯曲和避免挠性铰链301的薄壁段发生锁扣。在本发明示例性实施例中，运动误差小于10μm，狭缝306的宽度被最小化，以防止枢轴点的移动，同时使铰链刚度最大化，并且在允许一定范围的运动以容纳直线轴承中的运动误差而又不会导致直线轴承处施加的力出现明显变化的情况下，避免应力超过挠性铰链材料的疲劳应力。狭缝306可以终止于一个带圆角的开口，以降低应力集中。在本发明示例性实施例中，宽度小于0.1mm的狭缝可以使用线切割加工形成。铰链厚度(也即挠性铰链301的余下薄壁段的厚度)可以基于作用在其上的力例如电机30的重量和预加载力103而确定，但是所述厚度最好能足够大，以在预加载力施加时能够允许一定范围的弯曲运动。在本发明示例性实施例中，所述厚度可取大约0.6mm-1.25mm。支承结构300可以包括具有低热膨胀系数、高疲劳应力和满足特殊系统中运动误差而需的足够大弹性变形范围的各种材料。在本发明示例性实施例中，支承结构300使用的是不锈钢。
挠性铰链300允许在驱动轴100的接触区域101沿着预加载力103的方向发生移动。然而，驱动轴100的接触区域101的移动被挠性铰链300限制在推力260的方向上。这是因为比起相对于沿着挠性铰链300长度方向的轴线的力矩(例如轴在预加载力103方向上的移动)，挠性铰链300和细长薄壁段的几何结构能够对相对于垂直于挠性铰链300长度方向的轴线的力矩(例如轴在推力260方向上的移动)提供更大的阻力。
在图2所示的示例性实施例中，挠性铰链301形成在用于安装电机30的支承结构300中。电机30和驱动轴100由安置在支承结构300中的轴承324支承。预加载力103施加在支承结构300上，所以作用在挠性铰链301上的力矩等于所施加力与挠性铰链301的薄壁段和预加载力103之间的偏移距离的乘积。该力矩使得挠性铰链301关闭(也即狭缝宽度减小)，并且驱动轴100的接触区域101压向从动件201的表面220。
预加载力103可以通过弹簧326施加在支承结构300上，以便在接触区域101的运动范围内能够提供均匀作用力。接触区域101的运动范围最好能够充分大，以接纳从动件201的运动相对理想化直线的误差。如上所述，该运动范围限制于表面220和接触区域101的法线方向上。在本发明示例性实施例中，例如弹簧326可为安置在固定支承结构300的螺栓头和支承结构300之间的Bellville弹簧垫圈。
在本发明示例性实施例中，电机30为旋转超声电机，其为驱动轴100提供转动脉冲。应该指出，转动脉冲可以通过不同于旋转超声电机的方式提供，例如使用旋转气动致动器、旋转液压致动器和类似物。然而，旋转超声电机，特别是用来自日本东京Shinsei公司的型号为D6030驱动器驱动的同样来自Shinsei公司的型号为USR30的旋转超声电机，能够提供高度可靠的角位移。该高度可靠的角位移能够改善示例性精密运动工作台中的从动件201的定位解析度。
驱动轴100的直径被最小化，以维持定位解析度。定位解析度会被旋转超声电机30中的角度误差降低。因此，当直径减小时，角度误差就会转换为从动件201的更小定位误差而且定位解析度得到改善。在示例性精密运动工作台中，驱动轴100的直径小于大约5.25mm，能够获得小于10nm的步进精度。减小驱动轴100的直径也会增加推力260，而增加驱动轴100的直径则会增加从动件201的运动速度。
驱动轴100包括具有足够强度以用来承受为获得所希望的推力而必需的扭转载荷和预负荷的材料。所述材料也希望具有足够大的刚度，以防止在电机30的扭转载荷和预加载力103的作用下发生变形。在示例性精密运动工作台中，驱动轴100包括热处理不锈钢。
直线轴承200可以是成形用来限制移动件作基本为直线运动的任何轴承。在示例性精密运动工作台中，直线轴承为日本东京IKO Nippon Thompson公司制造的CRW系列轴承。
图3和4表示的是根据上述本发明实施例的使用连接着挠性铰链的摩擦驱动器的精密运动工作台的试验结果。在图3中，直线偏移或位置是相对精密运动工作台的时间而绘制的，如位置曲线98所示。精密运动工作台的位置是用激光干涉仪(Palo Alta，CA的惠普公司的型号为HP5517B、HP1070F的激光干涉仪)来测定的。如位置98A所示，精密运动工作台以25nm的步长移动。在位置98B处，精密运动工作台的行进方向发生改变。在试验过程中，一个拨动开关用来改变为驱动轴提供转动的超声电机上所施加的激励正弦电压的相位，从而手工改变运动方向。位置曲线能够响应运动指令，而在位置98A处又没有任何扰动，从而证明了精密运动工作台没有受到游隙、死点、反冲或类似情况的影响。游隙或死点表现为在向相反方向步进之前的曲线中的延迟而出现在位置曲线98上。扭转反冲表现为运动方向改变时的加速运动而出现在位置曲线98上。
在图4中，直线偏移或位置是相对最小步长试验的时间而绘制的，如最小步长曲线99所示。步进运动指令以900毫秒的时间间隔传送给电机驱动器。从激光干涉仪发生的在5-15nm步长范围上的背景噪声出现在最小步长曲线99上。然而，该系统能够稳定地解决好于10nm的情况，这已被在最小步长曲线99上的位置99A表示的工作台位置和位置99B表示的位置之间的10nm的步长所证明。
用在上述试验中的精密运动工作台提供了好于10nm的解析度，而且没有死点或游隙。因此，本发明能够提供以开环模式控制的直线运动的精密运动工作台。开环直线运动工作台能够大大降低与用在直线运动工作台的光学反馈控制系统相关的成本和复杂性。
现参照图5，所表示的使用挠性铰链的摩擦驱动系统是依照本发明替代性实施例形成的。图5的摩擦驱动系统与图2中的摩擦驱动系统相似，其包括与作为直线轴承200A一部分的从动件201A摩擦接触的驱动轴100A。驱动轴100A通过形成在支承结构300A中的挠性铰链301A连接在轴承200A的摩擦表面220A上。然而，不同于图2的摩擦驱动器，支承结构300A大致平行于从动件201A延伸。
预加载力103A被这样施加在支承结构300A上，即在挠性铰链301A处有力矩产生。因为支承结构300A大致平行于从动件201A，所以支承结构300A的长度提供了力臂。该力臂长于图2摩擦驱动器中产生的力臂。因此，图5的摩擦驱动器能够增强控制驱动轴100A和从动件201A之间的接触力。
如图6所示，在本发明替代性实施例中，使用挠性铰链301B的摩擦驱动系统将绕着第一轴线177的旋转运动转换为绕着垂直于第一轴线177的第二轴线277的旋转运动。电机30，例如图2所示和在此描述的旋转超声电机，安装在支承结构300B上。电机30通过安置在支承结构300B中的旋转轴承324B而被支撑在其轴上。驱动轴100B由电机30沿着转动方向14B转动。驱动轴100B可以连接在电机30的轴上，或最好与电机30的轴形成一体。
驱动轴100B包括与从动件201B的摩擦表面220B摩擦接触的接触区域101B。接触区域101B向内逐渐变细，从而与第一轴线177形成锐角178。所述角大小的选取，要使之能够维持驱动轴100B和从动件201B以同一速度转动，以避免发生滑动和因此所造成的磨损。驱动轴100B被施加穿过其自身的预加载力103推向摩擦表面220B。预加载力103在接触区域101B使得驱动轴100B和摩擦表面220B之间产生接触力，所述接触力正比于角178的正切和预加载力103B的乘积。驱动轴100B的转动和该接触力产生作用在从动件201B上摩擦力或推力(未示出)，以使从动件201B绕着第二轴线277沿着转动方向261转动。
如图6所示，驱动轴100B通过挠性铰链301B而在接触区域101B连接在摩擦表面220B上。挠性铰链301B包括细长薄壁段，其通过在支承结构300B中加工狭缝306B形成。狭缝306B的宽度足够大，以致于能够在接触区域101B处提供一定范围的运动，该运动范围能充分补偿偏离从动件201B的理想匀速转动的运动误差。然而，狭缝306B的宽度又充分小，以允许产生弯曲和避免挠性铰链301B的薄壁段发生锁扣。在本发明示例性实施例中，狭缝306B宽度大小的选取，要使之能够防止铰链的枢轴点发生移动和避免铰链中的应力超过铰链材料的疲劳应力，并最大化铰链的刚度以控制外部噪声，同时提供能充分补偿从动件201B中的运动误差的运动范围而且施加在驱动轴100B和从动件201B之间接触处的力又没有明显变化。狭缝306B可以终止于一个带圆角的开口，以降低应力集中。挠性铰链301B的余下薄壁段的厚度可以根据作用在其上的力的大小而变化，例如电机30的重量和预加载力103B大小，但是最好能够在预加载力103B作用时充分地留有弯曲运动的范围。
挠性铰链301B允许在驱动轴100B的接触区域101B沿着预加载力103B的方向发生移动。然而，驱动轴100B的接触区域101B的移动被挠性铰链300限制在驱动轴100B所施加的推力方向上。这是因为比起相对于沿着挠性铰链300B长度方向的轴线的力矩(例如轴在预加载力103B方向上的移动)，挠性铰链300B和细长薄壁段的几何结构能够对相对于垂直于挠性铰链300B长度方向的轴线的力矩(例如轴在推力方向上的移动)提供更大的阻力。
从动件201B的摩擦表面220B大致形状为截头圆锥段。在示例性实施例中，该圆锥段的锥角与角178互补。从动件轴240这样连接在从动件201B上，即从动件201B的转动能够沿着转动方向261转动从动件轴240。从动件轴240可以固定在从动件201B上或与从动件201B形成一体。从动件201B和从动件轴240与推力轴承330安装在一起。例如，从动件轴240可以用来为测角工作台(未示出)提供精密角运动。测角工作台可以与从动件轴240形成一体或与从动件轴240摩擦接触。
驱动轴100B和从动件201B的尺寸这样选取，即从动件与轴的直径比大于1。当从动件201B的直径相对驱动轴100B的直径增加时，从动件轴240的角度误差就会减小。在示例性实施例中，从动件201B与驱动轴100B的直径比大约4.0。该直径比和由此角度误差的减小对于诸如用于校准光学构件的测角工作台等应用场合非常有利。
如图7所示，在本发明另一个替代性实施例中，摩擦驱动系统中的驱动轴100C通过包括四个挠性铰链301C的平行连杆350连接在从动件201C上。电机30使用旋转轴承324安装在支承结构300C的安装部分307上。安装部分307由两个平行连杆350支撑。安装部分307被挠性铰链301C连接在每个平行连杆上。每个平行连杆350都各自被挠性铰链301C连接在支承结构300C的基部308上。
如图7所示，由电机30转动的驱动轴100C与从动件201C摩擦接触，所述从动件201C为直线轴承200C的横辊道。预加载力103C这样施加在支承结构300C上，即其能将驱动轴100C推向从动件201C。在从动件201C的移动过程中，预加载力103C通过打开和关闭挠性铰链301C以移动安装部分307和驱动轴100C的方式，来在驱动轴100和从动件201C之间维持均匀接触力，而又在运动误差范围之内。因为平行连杆350长度基本相等，所以在安装部分307和驱动轴100C移动时它们保持平行。因此，驱动轴100C和从动件201C之间的接触角保持一致。
尽管是根据特定的实施例而在上面进行图示和描述，然而本发明并不仅限定在所示的这些细节上。更确切地讲，在权利要求书的等同替代的范围和领域内可在这些细节中进行各种更改，而且这些更改并没有脱离本发明。
权利要求
1.一种摩擦驱动器，包括驱动轴，其作旋转运动，并且具有接触区域，用于通过在所述接触区域的摩擦接触而传递推力；从动件，其与所述驱动轴在所述接触区域摩擦接触，用于接收推力并响应于所述推力而提供运动；挠性铰链，其用于将所述驱动轴以恒力连接在所述从动件上，同时限制所述接触区域在推力方向上移动。
2.如权利要求1所述的摩擦驱动器，还包括用于为所述驱动轴提供转动脉冲的旋转超声电机。
3.如权利要求1所述的摩擦驱动器，还包括用于在接触区域为驱动轴提供均匀预加载力的装置。
4.如权利要求3所述的摩擦驱动器，其特征在于用于在接触区域为所述驱动轴提供均匀预加载力的装置是连接在所述挠性铰链上的弹簧。
5.一种精密运动工作台，包括驱动轴，其用于通过在接触区域的摩擦接触而将转动力传递给直线工作台；直线轴承，其具有与所述直线工作台形成一体的横辊道，并具有在所述接触区域与所述驱动轴摩擦接触的表面，从而响应于其与所述驱动轴的摩擦接触而将直线运动提供给所述直线工作台；挠性铰链，其用于将所述驱动轴以恒力连接在所述横辊道上，同时限制所述接触区域在所述直线运动方向上移动。
6.如权利要求5所述的精密运动工作台，还包括旋转超声电机，其中所述转动力通过所述超声电机提供给所述驱动轴。
7.如权利要求6所述的精密运动工作台，还包括支撑所述电机的支承结构，其中所述挠性铰链形成在所述支承结构中。
8.如权利要求7所述的精密运动工作台，还包括电机轴，其中所述驱动轴直接连接在所述电机轴上。
9.如权利要求7所述的精密运动工作台，还包括电机轴，其中所述驱动轴与所述电机轴形成为一体。
10.如权利要求5所述的精密运动工作台，其特征在于所述直线运动工作台的直线运动以开环模式控制。
11.如权利要求7所述的精密运动工作台，还包括用于在接触区域向驱动轴施加均匀预加载力的装置。
12.如权利要求11所述的精密运动工作台，其特征在于用于在接触区域向驱动轴施加均匀预加载力的装置是连接在所述挠性铰链上的弹簧。
13.如权利要求11所述的精密运动工作台，还包括静止框架，其中所述挠性铰链通过至少一个螺栓而固定在所述静止框架上，并且用于在接触区域向驱动轴施加均匀预加载力的装置是弹簧垫圈，所述弹簧垫圈定位在所述至少一个螺栓和支承结构之间。
14.如权利要求5所述的精密运动工作台，还包括安置在支承结构中的旋转轴承，其中所述旋转轴承支承所述驱动轴，所述挠性铰链包括形成在所述支承结构中的狭缝。
15.如权利要求14所述的精密运动工作台，其特征在于预加载力垂直于所述狭缝施加。
16.如权利要求14所述的精密运动工作台，其特征在于预加载力平行于所述狭缝施加。
17.如权利要求5所述的精密运动工作台，还包括长度相等的平行连杆，它们通过挠性铰链而在顶部和底部相连，其中预加载力施加在所述平行连杆上，以使所述接触区域保持平行于其与所述驱动轴摩擦接触的表面。
18.一种摩擦驱动器，包括驱动轴，其绕着第一转动轴线作旋转运动，并具有接触区域，用于通过在接触区域的摩擦接触而传递推力；从动件，其具有在所述接触区域与所述驱动轴摩擦接触的表面，用于接收推力并响应于所述推力而提供绕着第二转动轴线的旋转运动；挠性铰链，其用于将所述驱动轴以恒力连接在所述从动件上，同时限制所述接触区域在推力方向上移动。
19.如权利要求18所述的摩擦驱动器，其特征在于所述从动件与所述轴的直径比大于1，以降低角度误差。
20.如权利要求18所述的摩擦驱动器，其特征在于所述轴的所述接触区域以锐角从所述第一转动轴线偏移，与所述接触区域摩擦接触的所述从动件表面以锐角从所述第二转动轴线偏移。
21.如权利要求20所述的摩擦驱动器，其特征在于所述接触区域的偏移角度和所述从动件表面的偏移角度互为补角。
全文摘要
公开了一种摩擦驱动器，其包括作旋转运动的驱动轴，所述驱动轴在接触区域与从动件摩擦接触。所述驱动轴在接触区域传递推力。所述从动件用于接收所述推力并响应于所述推力而提供运动。挠性铰链将所述驱动轴以恒力连接在所述从动件上，同时限制所述接触区域在所述推力方向上移动。
文档编号H02N2/00GK1453099SQ0310861
公开日2003年11月5日 申请日期2003年3月31日 优先权日2002年3月29日
发明者大原彻雄 申请人:松下电器产业株式会社