专利名称：驱动器浮动的三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，具体涉及ー种基于电致伸縮器件和双层柔性铰链对称结构的三维无耦合微位移工作台。
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。设计三维微位移工作台，关键是解决运动耦合问题以及运动控制问题，即两个方向的驱动运动能各自独立且能精确定位。目前大多数三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三维运动，这种三维微位移工作台结构采用非对称结构设计，不仅结构复杂、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，无法完全消除各个方向间的耦合作用。因此，为克服以上缺点，研制具有高精度、无耦合、定位精确、驱动器浮动的对称结构三维微位移工作台对于实际应用具有较大的意义。
发明内容
为了克服现有三维微位移工作台存在的结构复杂、体积庞大，不便于工作台的微型化，无法完全消除各个方向间的耦合作用的问题，本发明提供一种驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，包括基板、Z向下框、Z向上框、内工作台、工作台、驱动单元、支撑杆、驱动支链、Z向支撑单元、电致伸縮器件，其结构特点在于所述基板中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设置内工作台，所述内工作台沿X、Y方向对称分布有四个内工作台凸缘；所述Z向下框、Z向上框为截面呈正方形的C形杆状，分别垂直连接着基板的上表面和下表面中部；所述工作台设置在内工作台的正上方，并通过四根均布的支撑杆跨过Z向上框连接着内工作台上表面；所述驱动支链用于连接着基板与内工作台，驱动支链一端两侧边缘对称位置分别设有驱动侧板，驱动支链设有驱动侧板的一端通过两根平面柔性铰链杆与工作台凸缘连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆与基板连接，所述驱动支链共有两个，分别设置于基板空腔X-方向、Y-方向的中部；所述驱动単元一端两侧对称设有连接板，并在设有连接板一端的中部开设了用于放置电致伸缩器件的凹槽，所述驱动单元共三个，分别位于基板空腔X+方向、Y+方向的中部以及内工作台与Z向下框之间的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驱动单元通过两根平面柔性铰链杆与工作台凸缘连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆与基板连接，Z-方向的驱动单元一端通过两根空间柔性铰链杆与Z向下框连接，另一端通过两根平面柔性铰链杆与驱动支座连接；所述驱动支座用于连接Z-方向的驱动单元与内工作台，内工作台上表面对称位置设置了另ー个驱动支座用于连接Z向支撑单元与内工作台；所述Z向支撑单元一端通过两根平面柔性铰链杆与驱动支座相连，另一端通过两根空间柔性铰链杆与Z向上框连接；所述电致伸縮器件置于所述凹槽中部，其中X+方向、Y+方向的电致伸縮器件一端顶紧凹槽的侧壁，另一端顶在内工作台凸缘上，Z-方向的电致伸缩器件一端顶紧凹槽的侧壁，另一端顶在驱动支座上。本发明驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，其结构特点还在于所述内工作台为正方形板状，每个内工作台凸缘两侧面对称位置分别连接着平面柔性铰链杆的一端，上表面和下底面的中部分别与驱动支座另一端连接。 所述工作台为正方形板状且与内工作台大小相同，工作台通过与其下底面垂直的四根均布的正方形柱状支撑杆连接着内工作台上表面。所述电致伸缩器件为ThorIabs公司生产的20 μ m行程PAS005、PAS020驱动器或者40 μ m行程PAS009、PAS040驱动器。与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面I、本发明工作台采用空间柔性铰链杆和平面柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，依靠平面柔性铰链与空间柔性铰链杆的无耦合运动特性、刚度特性、工作台对称结构特性，可完全消除耦合运动，提高精度，实现三维无耦合微位移输出，具有无间隙、无摩擦、灵敏度高的特点。2、本发明工作台以电致伸縮器件作为驱动元件，且电致伸縮器件随工作台运动浮动，可实现ー维、ニ维或三维无耦合微位移运动，同时输出位移更精细，且输出位移与输入位移成线性关系。由于三个方向的运动之间无耦合，相互独立，从而提高了工作台的定位精度，便于控制。3、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的爆炸视图。图3为本发明X/Y向结构示意图。图4为本发明Z向结构示意图。图5为内工作台结构示意图。图6为驱动单元结构示意图。图7为驱动支链结构示意图。图8为Z向支撑单元结构示意图。图9为Z向驱动支座结构示意图。上图中序号基板I、Z向下框2、Z向上框3、内工作台4、工作台5、Z向驱动单元
6、支撑杆7、驱动支链8、Z向支撑单元9、电致伸縮器件10、空间柔性铰链杆11、平面柔性铰链杆12、内工作台凸缘13、连接板14、凹槽15、驱动侧板16、驱动支座17。
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f 9，驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台包括基板I、Z向下框2、Z向上框3、内工作台4、工作台5、Z向驱动单元6、支撑杆7、驱动支链8、Z向支撑单元9、电致伸縮器件10，基板I中部设有贯通的空腔，空腔中部设有内工作台4，内工作台4为正方形板状，沿X、Y方向对称分布有四个内工作台凸缘13，每个内工作台凸缘13两侧面对称位置分别连接着平面柔性铰链杆12的一端，上表面和下底面的中部分别与驱动支座17另一端连接；Z向下框2、Ζ向上框3为截面呈正方形的C形杆状，分别垂直连接着基板I的上表面 和下表面中部；工作台5为正方形板状且与内工作台4大小相同，设置在内工作台4的正上方，并通过与其下底面垂直的四根均布的正方形柱状支撑杆7跨过Z向上框3连接着内エ作台4上表面；驱动支链8用于连接着基板I与内工作台4，驱动支链8 一端两侧边缘对称位置分别设有驱动侧板16，驱动支链8设有驱动侧板一端通过两根平面柔性铰链杆12与工作台凸缘13连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆11与基板I连接，驱动支链8共有两个，分别设置于基板I空腔X-方向、Y-方向的中部；驱动单元6 —端两侧对称位置分别设有连接板14，设有连接板一端中部开设了用于放置电致伸縮器件10的凹槽15，驱动单元6共三个，分别位于基板I空腔X+方向、Y+方向的中部以及内工作台4与Z向下框2之间的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驱动单元6通过两根平面柔性铰链杆12与工作台凸缘13连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆11与基板I连接，Z-方向的驱动单元6 —端通过两根空间柔性铰链杆11与Z向下框2连接，另一端通过两根平面柔性铰链杆12与驱动支座17连接；所述驱动支座17用于连接Z-方向的驱动单元6与内工作台4，内工作台4上表面对称位置设置了另ー个驱动支座17用于连接Z向支撑单元9于内工作台4 ； Z向支撑单元9 一端通过两根平面柔性铰链杆12与驱动支座17相连，另一端通过两根空间柔性铰链杆11与Z向上框3连接；电致伸缩器件10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)，置于凹槽15中部，其中X+方向、Y+方向的电致伸缩器件10 —端顶紧凹槽5的侧壁，另一端顶在内工作台凸缘13上，Z-方向的电致伸縮器件10 —端顶紧凹槽15的侧壁，另一端顶在驱动支座17上。 本发明可实现ー维、ニ维或三维无耦合运动，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10施加カ于X-方向，驱动内工作台4向X-方向运动，此时X方向上的两组平面柔性铰链杆12连接内工作台凸缘13 —端向X-方向运动，平面柔性铰链杆12另一端与基板I相对静止，同时Y方向的两组空间柔性铰链杆11连接基板I的一端静止不动，另一端也随内工作台4向X-方向运动，在Z轴方向上的两组空间柔性铰链杆11连接Z向下框2、Z向上框3 —端保持静止，另一端在X-方向力作用下随内工作台4向X-方向运动，由于空间柔性铰链、平面柔性铰链杆均采用对称结构，Y方向的位移相互抵消，同时Z方向的位移也相互抵消，因此内工作台4在向X—方向位移吋，不存在Y方向的耦合运动，也不存在Z方向的耦合运动；通过连接在内工作台4与工作台5之间的四根均布的支撑杆7将X方向的无耦合运动传递到工作台5，从而实现了 X方向的无耦合微位移输出。由于本发明采用空间柔性铰链杆和平面柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构设计，因此Y、Z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，以输出X-、Y-方向运动为例，X+、Y+位置的电致伸缩器件10分别施カロカ于X-方向和Y-方向，驱动内工作台4同时向X-方向和Y-方向运动。由于采用双层柔性铰链杆对称一体化结构，X+位置的电致伸縮器件使Y方向的两组空间柔性铰链杆11和对称连接在X方向内工作台凸缘13两侧面的平面柔性铰链杆12的一端向X-方向平移一个微小位移，而对称连接在Y方向内工作台凸缘13两侧面的平面柔性铰链杆12保持不动；同理，Y+位置的电致伸縮器件使X方向的两组空间柔性铰链杆11和对称连接在Y方向内工作台凸缘13两侧面的平面柔性铰链杆12的一端向Y-方向平移ー个微小位移，而对称连接在X方向内工作台凸缘13两侧面的平面柔性铰链杆12保持不动；从而使X方向上的驱动支链8与内工作台4没有沿Y方向的相对移动，Y方向上的驱动支链8与内工作台4没有沿X方向的相对移动，最后通过连接在内工作台4与工作台5之间的四根均布的支撑杆7将X方向的无耦合运动传递到工作台5，可见工作台在X、Y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。同理χ/ζ、Υ/Ζ方向的运动也是相互独立，互不干渉、不存在耦合现象的。·三维维运动时，根据上述ニ维运动原理，Χ/Υ方向的ニ维运动是无耦合的，在Χ/Υ方向运动完成后，Z-位置的电致伸缩器件10施加カ于Z+方向，此时对称连接在Z方向驱动支座17两侧面的两组平面柔性铰链杆12的一端在Z+方向外力作用与内工作台4同时向Z-方向运动，由于此处的平面柔性铰链杆12关于Y轴对称，因而X方向的位移相互抵消，同时，均布连接在基板I侧面中部的四组空间柔性铰链杆11的另一端也向Z+方向运动，但由于这四组空间柔性铰链杆12分别两两关于X、Y轴对称，因而X、Y方向的位移相互抵消。由上述运动原理可知Z方向的运动不会影响Χ/Υ方向的运动，最后通过连接在内工作台4与工作台5之间的四根均布的支撑杆7将X方向的无耦合运动传递到工作台5，因此工作台在X、Y、Z三个方向上的运动相互独立，互不干渉，从而保证了工作台的精确度，实现了工作台的三维无耦合微位移运动。
权利要求
1.驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，包括基板(l)、z向下框(2)、Z向上框(3)、内工作台(4)、工作台(5)、驱动单元(6)、支撑杆(7)、驱动支链(8)、Z向支撑单元(9)、电致伸縮器件(10)，其特征在于所述基板(I)中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设置内工作台(4)，所述内工作台(4)沿X、Y方向对称分布有四个内工作台凸缘(13)； 所述Z向下框(2)、Z向上框(3)为截面呈正方形的C形杆状，分别垂直连接着基板(I)的上表面和下表面中部； 所述工作台(5)设置在内工作台(4)的正上方，并通过四根均布的支撑杆(7)跨过Z向上框(3)连接着内工作台(4)上表面； 所述驱动支链(8 )用于连接着基板(I)与内工作台(4 )，驱动支链(8 ) —端两侧边缘对称位置分别设有驱动侧板(16)，驱动支链(8)设有驱动侧板的一端通过两根平面柔性铰链杆(12)与工作台凸缘(13)连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆(11)与基板(I)连接，所述驱动支链(8 )共有两个，分别设置于基板(I)空腔X-方向、Y-方向的中部； 所述驱动単元(6)—端两侧对称设有连接板(14)，并在设有连接板一端的中部开设了用于放置电致伸縮器件(10)的凹槽(15)，所述驱动単元(6)共三个，分别位于基板(I)空腔X+方向、Y+方向的中部以及内工作台(4)与Z向下框(2)之间的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驱动单元(6)通过两根平面柔性铰链杆(12)与工作台凸缘(13)连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆(11)与基板(I)连接，Z-方向的驱动单元(6)—端通过两根空间柔性铰链杆(11)与Z向下框(2 )连接，另一端通过两根平面柔性铰链杆(12 )与驱动支座(17 )连接；所述驱动支座(17)用于连接Z-方向的驱动单元(6)与内工作台(4)，内工作台(4)上表面对称位置设置了另ー个驱动支座(17)用于连接Z向支撑单元(9)与内工作台(4);所述Z向支撑单元(9) 一端通过两根平面柔性铰链杆(12)与驱动支座(17)相连，另一端通过两根空间柔性铰链杆(11)与Z向上框(3)连接； 所述电致伸縮器件(10)置于所述凹槽(15)中部，其中X+方向、Y+方向的电致伸縮器件(10) —端顶紧凹槽(15)的侧壁，另一端顶在内工作台凸缘(13)上，Z-方向的电致伸缩器件(10) 一端顶紧凹槽(15)的侧壁，另一端顶在驱动支座(17)上。
2.根据权利要求I所述的驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，其特征在于所述内工作台(4)为正方形板状，每个内工作台凸缘(13)两侧面对称位置分别连接着平面柔性铰链杆(12)的一端，上表面和下底面的中部分别与驱动支座(17)另一端连接。
3.根据权利要求I所述的驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，其特征在于所述工作台(5)为正方形板状且与内工作台(4)大小相同，工作台(5)通过与其下底面垂直的四根均布的正方形柱状支撑杆(7)连接着内工作台(4)上表面。
4.根据权利要求I所述的驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，其特征在于所述电致伸缩器件(10)为Thorlabs公司生产的20 μ m行程PAS005、PAS020驱动器或者40 μ m行程PAS009、PAS040驱动器。
全文摘要
本发明涉及驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台。该工作台包括基板、Z向下框、Z向上框、内工作台、工作台、Z向驱动单元、支撑杆、驱动支链、Z向支撑单元、电致伸缩器件，其特征在于基板中部设有贯通的空腔，空腔中部设有内工作台，工作台设置在内工作台的正上方，并通过四根均布的支撑杆跨过Z向上框连接着内工作台上表面。本发明采用空间柔性铰链杆和平面柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，以电致伸缩器件作为驱动元件，可完全消除耦合运动，实现输出位移与输入位移成线性关系的三维无耦合微位移输出，具有分辨率高、结构紧凑的优点，可应用于微机电系统、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。
文档编号G12B5/00GK102708930SQ20121017230
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者张海岩, 沈健, 陈东 申请人:合肥工业大学