Z轴正向放大一维精密定位平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种Z轴正向放大一维精密定位平台，其包括：基座、放大机构、运动平台、压电陶瓷、预紧机构；放大机构包括：柔性臂、第一连接部、第二连接部以及两端的固定部；运动平台一侧与所述第一连接部相抵靠，另一侧形成平台承载面；压电陶瓷设置于第一连接部和第二连接部之间，压电陶瓷一端与预紧机构相抵靠，另一端与固定部向抵靠；预紧机构设置于一端的固定部中，预紧机构包括预紧螺母和钢珠，钢珠与压电陶瓷相抵靠，预紧螺母通过钢珠为压电陶瓷提供预紧力。本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台具有行程范围大、高精度、结构简单、体积小、刚度大、灵敏度高、极高分辨率、纳米级、适宜作微动平台等优点。
【专利说明】Z轴正向放大一维精密定位平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及微驱动应用【技术领域】，具体涉及一种Z轴正向放大一维精密定位平台O
【背景技术】
[0002]近年来，随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的迅速发展，人类社会正式进入了“亚微米-纳米”时代。在电子、光学、机械制造等众多【技术领域】中，迫切需要高精度、高分辨率、高可靠性的微定位系统，以用于实现高精度的研宄。微定位技术在微机电系统、纳米制造技术、微电子及纳米电子技术、纳米生物工程等众多高科技领域将发挥越来越重要的作用，从而用以直接工作或配合其他仪器设备完成高精度的研宄和使用。
[0003]随着科学技术的不断发展，对微定位的界定也从以前的毫米级发展到现在的亚微米级以及纳米级，以后的发展方向将是亚纳米级(<10-9m)。对高精密系统的研宄，美国、德国和日本走在世界的前列，比如在基于压电陶瓷纳米定位方面，能够达到Inm的分辨率、1nm左右的定位精度、1mm以上的行程。目前我国在微定位【技术领域】的研宄还相对落后，因此，开展微定位平台的相关研宄，对于缩小同国内外同行的差距，促进我国的国防军工以及国民经济的快速发展有着重大而深远的意义。
[0004]微定位平台中的一维精密定位平台，主要功能是实现被操作样件或被观测样件的一维精密运动和定位，以及微探针的一维操作等。其微动工作原理在于利用压电陶瓷的逆压电效应，驱动弹性铰链机构实现微位移传动，以达到一维精密定位的要求。它相对于其他驱动方式的一维精密定位技术，如电机驱动、音圈电机驱动、记忆合金驱动及磁滞伸缩驱动方式等，其基本原理实现方便、控制简单，并具有分辨率高、传动无间隙、易微小化、运动精度高和重复定位精度高等优点。微位移驱动器是微定位平台的关键部分，驱动器的特性和精度对定位平台系统的性能有着重要影响。微位移驱动器是微定位平台的关键部分，驱动器的特性和精度对定位平台系统的性能有着重要影响。
[0005]但是，现有的一维精密定位平台在一维实现结构和位移放大方式上有所不同，在实现一维大行程精密定位的过程中都会在一维大行程精密定位中出现误差，最终影响运动精度。而且会为一维大行程精密定位平台带来累积误差和角度误差、耦合位移等技术难题。
[0006]因此，针对上述问题，有必要提供一种进一步的解决方案。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种Z轴正向放大一维精密定位平台，以克服现有的一维精密定位平台在在一维大行程精密定位中容易出现误差的问题。
[0008]为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下:
[0009]本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台包括:基座、放大机构、运动平台、压电陶瓷、预紧机构；
[0010]所述放大机构位于所述基座限定的空间中，所述放大机构与所述基座固定连接，所述放大机构包括:柔性臂、第一连接部、第二连接部以及两端的固定部，所述柔性臂为四个，所述其中两个柔性臂对称分布于所述第一连接部的两侧，所述第一连接部通过其两侧的柔性臂与所述两端的固定部进行固定连接；
[0011]所述另两个柔性臂对称分布于所述第二连接部的两侧，所述第二连接部通过其两侧的柔性臂与所述两端的固定部进行固定连接，所述柔性臂与所述第一连接部、第二连接部以及两端的固定部之间的连接点为柔性铰链点；
[0012]所述运动平台一侧与所述第一连接部相抵靠，另一侧形成平台承载面；
[0013]所述压电陶瓷设置于所述第一连接部和第二连接部之间，所述压电陶瓷一端与所述预紧机构相抵靠，另一端与所述固定部相抵靠；
[0014]所述预紧机构设置于所述一端的固定部中，所述预紧机构包括预紧螺母和钢珠，所述钢珠与所述压电陶瓷相抵靠，所述预紧螺母通过所述钢珠为所述压电陶瓷提供预紧力。
[0015]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述基座上开设有螺纹孔，所述放大机构通过所述螺纹孔与所述基座固定连接。
[0016]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述放大机构通过所述第二连接部与所述基座固定连接。
[0017]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述第一连接部两侧的柔性臂与所述第二连接部两侧的柔性臂对称设置，所述柔性臂的各个柔性铰链点对称分布。
[0018]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述Z轴正向放大一维精密定位平台还包括保护套，所述保护套上开设有用以引出压电陶瓷屏蔽线的通孔。
[0019]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述放大机构通过线切割工艺一体成型而成。
[0020]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述放大机构与所述基座的材质相同，所述二者的材质为轻密度金属。
[0021]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述预紧螺母的材质为重密度金属。
[0022]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述压电陶瓷为PZT5型硬压电陶瓷。
[0023]作为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台的改进，所述预紧螺母包括第一螺母和第二螺母，所述第二螺母设置于上述第一螺母和钢珠之间，所述钢珠与所述第二螺母相配合。
[0024]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台具有行程范围大、高精度、结构简单、体积小、刚度大、灵敏度高、极高分辨率、纳米级、适宜作微动平台等优点。其通过采用Z轴正向放大一维的精密定位和放大机构，有效的提高了运动范围内的放大倍数，减小了精密定位平台体积，使其更加紧凑，而且避免其他放大机构所带来的角度误差，提高了定位的精密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]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。
[0026]图1为本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台一【具体实施方式】的俯视图；
[0027]图2为图1中Z轴正向放大一维精密定位平台的剖视图；
[0028]图3为图2中部分结构的平面示意图，需要说明的是，为了标号方便，去掉了其中的部分剖面线。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]如图1、2所示，本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台100包括:基座10、放大机构20、运动平台30、压电陶瓷40、预紧机构50。
[0031]所述放大机构20用于放大压电陶瓷40产生的形变，并通过运动平台30输出放大位移。放大机构20位于所述基座10限定的空间中，从而，基座10对放大机构20起到保护作用，使放大机构20不受外界干扰，以保证精密定位工作台的正常工作。所述放大机构20与所述基座10固定连接，所述放大机构20与所述基座10的材质相同，所述二者的材质为轻密度金属。本实施方式中，基座和放大机构并非一体成型而成，即由同种材质不同加工工艺加工而成，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，此结构能够获得更大的位移输出比。
[0032]如图3所示，所述放大机构20包括:柔性臂21、第一连接部22、第二连接部23以及两端的固定部24。
[0033]其中，所述柔性臂21为四个，所述其中两个柔性臂21对称分布于所述第一连接部22的两侧，所述第一连接部22通过其两侧的柔性臂与所述两端的固定部24进行固定连接。此外，所述另两个柔性臂21对称分布于所述第二连接部23的两侧，所述第二连接部23通过其两侧的柔性臂21与所述两端的固定部24进行固定连接。
[0034]上述实施方式中，所述柔性臂21与所述第一连接部22、第二连接部23以及两端的固定部24之间的连接点为柔性铰链点25，该柔性铰链点25的数量为8个，所述8个对称分布。所述第一连接部22两侧的柔性臂21与所述第二连接部23两侧的柔性臂21对称设置，从而，所述柔性臂21的各个柔性铰链点25对称分布。其中，柔性铰链点25起到导向和辅助回复的作用，并且在柔性铰链点25的保护下，所述运动平台30可保持运动方向的一致性，而避免了垂直于运动方向的任何运动，以及外力的破坏。
[0035]同时，柔性铰链结构使位移输出比达到4倍，大大提高了现有杠杆放大机构的位移放大倍数。这是因为，柔性铰链结构会有一定的弹性反力产生，使得放大机构的输出位移相应的减少；同时，柔性铰链结构是由于材料的弹性形变产生的位移，所以在形变过程中有一部分能量被材料本身吸收，同时会使压电陶瓷受较大的载荷，使其提供的驱动位移亦有减小。当外形尺寸受限，压电陶瓷确定的情况下，从而能够获得更大的位移输出比。
[0036]所述第一连接部22与所述运动平台30相抵靠，该运动平台30的另一侧形成平台承载面。放大机构20通过第一连接部22将放大位移传递至运动平台30，使运动平台30产生相应的位移输出。具体地，柔性臂21将压电陶瓷40产生的形变进行放大，产生放大位移，并将该放大位移输出至第一连接部22处，由于第一连接部22与运动平台30相抵靠，第一连接部22将该放大位移输出至运动平台30。此外，运动平台30上还开设有螺孔，该螺孔用于固定相应的运动件。
[0037]所述第二连接部23与所述基座10进行固定连接，优选地，所述基座10上开设有螺纹孔，第二连接部23通过该螺纹孔与所述基座10进行固定连接。
[0038]所述放大机构20通过线切割工艺一体成型而成，如此设置，克服了现有的放大机构因其结构原因在加工过程中很难保证对称度的问题，本实施方式中的放大机构在加工过程中更容易保证其加工精度，使工件的对称性有很大提高，避免了放大机构的耦合位移。
[0039]所述压电陶瓷40设置于所述第一连接部22和第二连接部23之间，且将压电陶瓷40整体位于基座10之中。如此设置，放大机构20带动运动平台30轴向运动时，该放大机构20在横向方向上具有更大的空间，结构更加紧凑，并且放大机构20在有效的空间内可以实现更大范围的运动。
[0040]所述压电陶瓷40 —端与所述预紧机构50相抵靠，另一端与所述固定部24向抵靠。当给压电陶瓷40施加一个电压激励时压电陶瓷40即会发生形变，同时带动放大机构20向轴向运动，从而，带动运动平台上的运动件运动按照放大的输出位移进行运动。优选地，所述压电陶瓷为PZT5型硬压电陶瓷。
[0041]此外，本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台100还包括保护套60和盖板70，其中，保护套60上开设有用以引出压电陶瓷40的屏蔽线的通孔。
[0042]所述预紧机构50设置于所述一端的固定部24中，其为压电陶瓷40提供足够的预紧力，可避免压电陶瓷40在安装过程中的间隙所造成的运动误差。所述预紧机构50包括预紧螺母51和钢珠52，其中，所述预紧螺母51包括第一螺母511和第二螺母512，所述第二螺母512设置于上述第一螺母511和钢珠52之间。预紧螺母51采用细牙螺纹，采用细牙螺纹具有防松防振效果好、可以精确微调预紧力的优点，同时可避免压电陶瓷50在安装过程中的间隙所造成的运动误差和压电陶瓷的损坏。
[0043]进一步地，所述钢珠52与所述第二螺母512相配合，同时钢珠52与所述压电陶瓷50相抵靠，预紧螺母51通过所述钢珠52为所述压电陶瓷50提供预紧力。如此设置，即使预紧螺母51的螺纹孔不与压电陶瓷50保持绝对垂直，也可保证压电陶瓷50不会受到除垂直方向以外的力，在一定程度上保护了压电陶瓷50，减少了压电陶瓷50的损耗。优选地，所述预紧螺母51的材质为重密度金属。
[0044]与现有技术相比，本发明的Z轴正向放大一维精密定位平台具有行程范围大、高精度、结构简单、体积小、刚度大、灵敏度高、极高分辨率、纳米级、适宜作微动平台等优点。其通过采用Z轴正向放大一维的精密定位和放大机构，有效的提高了运动范围内的放大倍数，减小了精密定位平台体积，使其更加紧凑，而且避免其他放大机构所带来的角度误差，提高了定位的精密度。
[0045]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。
[0046]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Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述Z轴正向放大一维精密定位平台包括:基座、放大机构、运动平台、压电陶瓷、预紧机构； 所述放大机构位于所述基座限定的空间中，所述放大机构与所述基座固定连接，所述放大机构包括:柔性臂、第一连接部、第二连接部以及两端的固定部，所述柔性臂为四个，所述其中两个柔性臂对称分布于所述第一连接部的两侧，所述第一连接部通过其两侧的柔性臂与所述两端的固定部进行固定连接； 所述另两个柔性臂对称分布于所述第二连接部的两侧，所述第二连接部通过其两侧的柔性臂与所述两端的固定部进行固定连接，所述柔性臂与所述第一连接部、第二连接部以及两端的固定部之间的连接点为柔性铰链点； 所述运动平台一侧与所述第一连接部相抵靠，另一侧形成平台承载面； 所述压电陶瓷设置于所述第一连接部和第二连接部之间，所述压电陶瓷一端与所述预紧机构相抵靠，另一端与所述固定部向抵靠； 所述预紧机构设置于所述一端的固定部中，所述预紧机构包括预紧螺母和钢珠，所述钢珠与所述压电陶瓷相抵靠，所述预紧螺母通过所述钢珠为所述压电陶瓷提供预紧力。
2.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述基座上开设有螺纹孔，所述放大机构通过所述螺纹孔与所述基座固定连接。
3.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述放大机构通过所述第二连接部与所述基座固定连接。
4.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述第一连接部两侧的柔性臂与所述第二连接部两侧的柔性臂对称设置，所述柔性臂的各个柔性铰链点对称分布。
5.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述Z轴正向放大一维精密定位平台还包括保护套，所述保护套上开设有用以引出压电陶瓷屏蔽线的通孔。
6.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述放大机构通过线切割工艺一体成型而成。
7.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述放大机构与所述基座的材质相同，所述二者的材质为轻密度金属。
8.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述预紧螺母的材质为重密度金属。
9.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述压电陶瓷为PZT5型硬压电陶瓷。
10.根据权利要求1所述的Z轴正向放大一维精密定位平台，其特征在于，所述预紧螺母包括第一螺母和第二螺母，所述第二螺母设置于上述第一螺母和钢珠之间，所述钢珠与所述第二螺母相配合。
【文档编号】G12B5/00GK104505127SQ201410784696
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】钟博文, 王振华, 金子祺, 陈林森, 钱哲, 李宗伟, 孙立宁 申请人:苏州大学