专利名称：20杆二维无耦合微位移工作台的制作方法
技术领域：
本发明属于微机电系统技术领域，涉及ー种无耦合运动的柔性铰链工作台，具体是ー种基于电致伸縮器件和双层柔性铰链对称结构的ニ维无耦合运动微位移工作台。
背景技术：
微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之ー，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。微位移工作台在微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、光学元件制造以及生物医学工程等领域有广泛的应用，具有纳米级精度的微位移工作台是其核心部件。同时ニ维微位移工作 台是研究三维微位移工作台的基础。设计ニ维微位移工作台，关键是解决运动耦合问题以及运动控制问题，即ニ个方向的驱动运动能各自独立且能精确定位。目前大多数ニ维微位移工作台采用ー维运动的垂直叠加或者以串联嵌套式结构来实现ニ维运动，但是这种微位移工作台结构复杂、体积庞大，不便于工作台的微型化，而且会产生累积误差影响工作台的精度。同时现有ニ维微位移工作台未考虑结构刚度对微位移系统行程及运动精度的影响。因此，为克服以上缺点，研制具有高精度、无耦合、定位精确、刚度适用的对称整体式ニ维微位移工作台对于实际应用具有较大的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供ー种20杆ニ维无耦合微位移工作台，采用双层柔性铰链杆对称结构设计，依靠外层柔性铰链杆与内层柔性铰链杆的无耦合运动特性、刚度特性、工作台整体无装配结构特性，以及电致伸縮器件不随工作台移动特性，实现独立、无耦合的ニ维运动，同时保证了运动定位的精确性。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现
20杆ニ维无耦合微位移工作台包括基板1，基板I中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设有工作台6，工作台6的周边分别均布连接着四根内层柔性铰链杆5的一端，每根内层柔性铰链杆5的另一端连接着驱动支座3的内端，且其中两根内层柔性铰链杆5沿X方向对称分布，另两根内层柔性铰链杆5沿Y方向对称分布；每个驱动支座3的两侧分别连接着两根并列的外层柔性铰链杆2的一端，两根并列的外层柔性铰链杆2组成外层柔性铰链杆组，每组的外层柔性铰链杆2的另一端分别连接着基板I上空腔的侧壁，每个驱动支座3两侧的外层柔性铰链杆组在同一直线上，且垂直于驱动支座3内端的内层柔性铰链杆5 ;与每个驱动支座3外端对应的所述空腔的侧壁上分别设有凹槽7，所述空腔的侧壁上共有四个凹槽7，其中相邻的两个凹槽7内分别设有电致伸縮器件4，电致伸縮器件4的一端与驱动支座3的外端接触，另一端与凹槽7的侧壁接触。所述工作台6为正方形板状，每ー侧面中部分别连接着一根内层柔性铰链杆5的一端。所述驱动支座3为矩形板状，其内侧面与内层柔性铰链杆5的另一端连接，两侧面分别连接着外层柔性铰链杆2的一端，外侧面与所述空腔的凹槽7对应。所述电致伸缩器件4型号为PAS005或PAS020，行程20 μ m ;或者型号为PAS009、或 PAS040，行程 40μπι。与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面
1、本发明工作台采用20根柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，依靠外层柔性铰链杆与内层柔性铰链杆的无耦合运动特性、刚度特性、工作台整体无装配结构特性，可消除耦合运动，提高精度，具有无间隙、无摩擦、灵敏度高的特点，同时由于连接基板和驱动支座的外层柔性铰链杆每ー组由4根相互平行的柔性铰链杆构成，因此外层刚度较好，因而适用于小行程、轻载的微位移系统；
2、本发明工作台以电致伸縮器件作为驱动元件，电致伸縮器件不随工作台移动，可实现ー维或者ニ维无耦合微位移运动，输出位移与输入位移成线性关系。由于两个方向的运动之间无耦合，相互独立，且电致伸縮器件不随工作台运动，从而提高了工作台的定位精度，便于控制；
3、本发明工作台整体可采用线切割加工方法一次切割完成，无装配元件，消除了由于装配而产生的误差，具有较高的精度；
4、本发明工作台结构紧凑，便于微型化。
图I为本发明结构示意图。图2为图I的俯视图。图3为X、Y方向机构变形示意简图。上图中序号基板I、外层柔性铰链杆2、驱动支座3、电致伸缩器件4、内层柔性铰链杆5、工作台6、凹槽7。
具体实施例方式下面结合附图，通过实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。參见图I和图2，20杆ニ维无耦合微位移工作台包括基板1，基板I中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设有工作台6，工作台6为正方形板状，工作台6每ー侧面中部分别连接着内层柔性铰链杆5的一端，每根内层柔性铰链杆5的另一端连接着驱动支座3的内端面，且其中两根内层柔性铰链杆5沿X方向对称分布，另两根内层柔性铰链杆5沿Y方向对称分布；驱动支座3为矩形板状，每个驱动支座3的两侧面分别连接着两根并列的外层柔性铰链杆2的一端，两根并列的外层柔性铰链杆2组成外层柔性铰链杆组，每组的外层柔性铰链杆2的另一端分别连接着基板I上空腔的侧壁，每个驱动支座3两侧的外层柔性铰链杆组在同一直线上，且垂直于驱动支座3内端的内层柔性铰链杆5 ;与每个驱动支座3外侧面对应的所述空腔的侧壁上分别设有凹槽7，工作台6空腔的侧壁上共有四个凹槽7，其中相邻的两个凹槽7内分别设有电致伸縮器件4，电致伸縮器件4的一端与驱动支座3的外端接触，另一端与凹槽7的侧壁接触。电致伸縮器件4为Thorlabs公司生产的20 μ m行程PAS020驱动器(根据凹槽7深度和工作台最大行程要求可以选择20 μ m行程PAS005驱动器，或者40 μ m行程PAS009驱动器或PAS040驱动器)，不随工作台运动。除电致伸缩器件4夕卜，上述所有机构是在基板上用线切割方法一次装夹加工出来的整体式无装配对称结构，所有的转动点都由柔性铰链构成。本发明可实现ー维或者ニ维无耦合运动，本实施例通过以下方式进行工作
ー维运动时以输出X方向运动为例，电致伸缩器件4施加カ于X方向，驱动X+方向的
驱动支座3向X-方向运动，此时X方向的两根内层柔性铰链杆5与工作台6同时向X-方向运动，Y方向的两组外层柔性铰链杆2在X-方向外力作用下也同时向X-方向运动，由于内、外层柔性铰链杆均采用对称结构，在Y方向的位移相互抵消，因此工作台6在向X —方向位移吋，不存在Y方向的耦合运动，实现了 X方向的无耦合微位移输出。由于本发明采用 整体对称结构设计，因此Y方向的一维运动与X方向的一维运动一祥，不存在耦合现象。ニ维运动时，如图3所示，以输出Χ-、Υ_方向运动为例，Χ+、Υ+位置的电致伸缩器件4分别施加カ于X-方向和Y-方向，驱动X+方向和Y+方向的驱动支座3同时向X-方向和Y-方向运动。由于采用整体对称结构，X+位置的电致伸縮器件使X方向的两根内层柔性铰链杆和Y方向的两组外层柔性铰链杆向X-方向平移ー个微小位移，而X方向的两组外层柔性铰链杆保持不动；同理，Y+位置的电致伸縮器件使Y方向的两根内层柔性铰链杆和X方向的两组外层柔性铰链杆向Y-方向平移ー个微小位移，而Y方向的两组外层柔性铰链杆保持不动；从而使X方向上的驱动支座与工作台6没有沿Y方向的相对移动，Y方向上的驱动支座与工作台6没有沿X方向的相对移动，工作台在Χ、Υ两个方向上的运动相互独立，互不干渉，解决了运动耦合问题。保证了工作台的精确度，实现了工作台的ニ维无耦合微位移运动。
权利要求
1.20杆ニ维无耦合微位移工作台，其特征在于包括基板(1)，所述基板(I)中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设有工作台(6)，工作台(6)的周边分别均布连接着四根内层柔性铰链杆(5)的一端，每根内层柔性铰链杆(5)的另一端连接着驱动支座(3)的内端，且其中两根内层柔性铰链杆(5)沿X方向对称分布，另两根内层柔性铰链杆(5)沿Y方向对称分布；每个驱动支座(3)的两侧分别连接着两根并列的外层柔性铰链杆(2)的一端，两根并列的外层柔性铰链杆(2)组成外层柔性铰链杆组，每组的外层柔性铰链杆(2)的另一端分别连接着基板(I)上空腔的侧壁，每个驱动支座(3)两侧的外层柔性铰链杆组在同一直线上，且垂直于驱动支座(3)内端的内层柔性铰链杆(5);与每个驱动支座(3)外端对应的所述空腔的侧壁上分别设有凹槽(7)，所述空腔的侧壁上共有四个凹槽(7)，其中相邻的两个凹槽(7)内分别设有电致伸縮器件(4)，电致伸縮器件(4)的一端与驱动支座(3)的外端接触，另 一端与凹槽(7)的侧壁接触。
2.根据权利要求I所述的20杆ニ维无耦合微位移工作台，其特征在于所述工作台(6)为正方形板状，每ー侧面中部分别连接着一根内层柔性铰链杆(5)的一端。
3.根据权利要求I所述的20杆ニ维无耦合微位移工作台，其特征在于所述驱动支座(3)为矩形板状，其内侧面与内层柔性铰链杆(5)的另一端连接，两侧面分别连接着外层柔性铰链杆(2)的一端，外侧面与所述空腔的凹槽(7)对应。
4.根据权利要求I所述的20杆ニ维无耦合微位移工作台，其特征在于所述电致伸縮器件(4)型号为PAS005或PAS020，行程20 μ m ;或者型号为PAS009、或PAS040，行程40 μ m。
全文摘要
本发明涉及20杆二维无耦合微位移工作台。该工作台包括基板、外层柔性铰链杆、驱动支座、电致伸缩器件、内层柔性铰链杆、工作台，四根均布的内层柔性铰链杆一端连接工作台，另一端连接驱动支座，驱动支座通过外层柔性铰链杆连接到基板上，驱动支座与基板凹槽之间设有电致伸缩器件，电致伸缩器件的一端顶在驱动支座的外端，另一端顶紧凹槽的侧壁。本发明采用20根柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，整体采用线切割加工方法一次切割完成，无装配元件，可实现输出位移与输入位移成正比的独立、无耦合一维或者二维运动，具有分辨率高、结构紧凑的优点，适用于小行程、轻载的微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、光学元件制造等领域。
文档编号G12B5/00GK102664047SQ201210152258
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者张海岩, 沈健, 陈东 申请人:合肥工业大学