CN102540455B - 一种微动马达机构及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微动马达机构，用于调节待调节元件的位置，所述微动马达机构包括框架、设置在所述框架内的驱动轴、一级驱动装置以及二级驱动装置，所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动；所述二级驱动装置设置在所述驱动轴顶部，所述待调节元件设置在所述二级驱动装置上，所述二级驱动装置驱动所述待调节元件相对于所述驱动轴顶部移动；从而可利用所述一级驱动装置实现大驱动行程，利用所述二级驱动实现高分辨率；同时，本发明还公开了一种上述微动马达机构的驱动方法，该方法利用所述一级驱动装置实现大驱动行程，利用所述二级驱动实现高分辨率，并且简单方便。

Description

一种微动马达机构及其驱动方法

技术领域

本发明涉及精密机械中的压电微机电技术领域，尤其涉及一种用于光学元件调整的高分辨率微动马达机构及其驱动方法。

背景技术

随着半导体集成电路集成度的提高，半导体器件的特征尺寸越来越小，先进光刻机曝光设备中的投影光学***分辨率的要求也越来越高，对光学***的成像质量要求也更高。而光学***的成像质量通常由光学的指标决定，主要体现在各种像差上，诸如畸变、球差或者波像差。

要提高光学***的成像质量，不但要求提高冷镜头(非工作状态)的指标的稳定性，更重要的是要提高工作状态下的镜头的指标的稳定性。当光学***性能因镜头工作环境或其它因素受到影响时，往往采用像差补偿的方法对***指标进行实时校正。实时校正的方法通常为：控制某个或某几个光学元件，通过改变光学元件的位置关系，诸如空气间隔、元件的倾斜或偏心，达到像差补偿的目的。像差补偿一般通过调整镜片的方式实现，即通过驱动机构对镜片进行调整。

在像差补偿的过程中，对驱动机构的要求很高，不仅要求高的分辨率，小的体积，更从行程和负载以及能否自锁等方面提出了更高的要求。

因此，有必要提供一种能满足上述要求的微动马达机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微动马达机构及其驱动方法，以解决现有的驱动机构所需压电陶瓷数量较多，成本太高的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种微动马达机构，用于调节待调节元件的位置，包括：

框架，所述框架上设有一穿通其上下部的第一通孔；

驱动轴，所述驱动轴活动设置在所述第一通孔内；

一级驱动装置，设置在所述框架内，对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴相对于所述框架移动；

二级驱动装置，设置在所述驱动轴顶部，所述待调节元件设置在所述二级驱动装置上，所述二级驱动装置驱动所述待调节元件相对于所述驱动轴顶部移动。

可选的，所述一级驱动装置包括移动块组合结构以及与所述移动块组合结构相连的框架组合结构；所述框架组合结构对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴及所述移动块组合结构相对于所述框架移动；所述移动块组合结构对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，相对于所述驱动轴移动。

可选的，所述移动块组合结构包括：

移动块，所述移动块上开有第一V型槽、第一圆孔以及与所述第一通孔相匹配的第二通孔，所述驱动轴穿通所述第二通孔；

第一止动块，其第一端嵌入所述V型槽内，第二端接触所述驱动轴，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴；

第一压电陶瓷，设置于所述第一圆孔内，所述第一压电陶瓷的顶部与所述第一止动块第二端的底部接触；

第一弹簧，其一端与所述第一止动块第二端的顶部相连，另一端与一第一弹簧固定块的一端相连，所述第一弹簧固定块的另一端与所述移动块相连；以及

第二弹簧，其一端与所述框架的上部相连，另一端与所述移动块的顶部相连。

可选的，所述框架的下部开有第二V型槽、第二圆孔，所述框架组合结构包括：

第二止动块，其第一端嵌入所述第二V型槽内，第二端接触所述驱动轴，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴；

第二压电陶瓷，设置于所述第二圆孔内，所述第二压电陶瓷的顶部与所述第二止动块第二端的底部接触；

第三弹簧，其一端与所述第二止动块第二端的顶部相连，另一端与一第二弹簧固定块的一端相连，所述第二弹簧固定块的另一端与所述框架相连；以及

第三压电陶瓷，其底部与所述框架的底部相连，顶部与所述移动块的底部相连。

可选的，所述二级驱动装置为一第四压电陶瓷。

可选的，所述待调节元件为镜片。

同时，为解决上述问题，本发明还提出一种上述微动马达机构的驱动方法，该方法包括如下步骤：

所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动，直至所述待调节元件的位置离目标位置的距离小于所述一级驱动装置的步距；

所述二级驱动装置驱动所述待调元件相对于所述驱动轴顶部移动，直至所述待调节元件的位置到达目标位置。

可选的，所述一级驱动装置包括移动块组合结构以及与所述移动块组合结构相连的框架组合结构；所述框架组合结构对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴及所述移动块组合结构相对于所述框架移动；所述移动块组合结构对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，相对于所述驱动轴移动。

可选的，所述移动块组合结构包括：

移动块，所述移动块上开有第一V型槽、第一圆孔以及与所述第一通孔相匹配的第二通孔，所述驱动轴穿通所述第二通孔；

第一止动块，其第一端嵌入所述V型槽内，第二端接触所述驱动轴，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴；

第一压电陶瓷，设置于所述第一圆孔内，所述第一压电陶瓷的顶部与所述第一止动块第二端的底部接触；

第一弹簧，其一端与所述第一止动块第二端的顶部相连，另一端与一第一弹簧固定块的一端相连，所述第一弹簧固定块的另一端与所述移动块相连；以及

第二弹簧，其一端与所述框架的上部相连，另一端与所述移动块的顶部相连。

可选的，所述框架的下部开有第二V型槽、第二圆孔，所述框架组合结构包括：

第二止动块，其第一端嵌入所述第二V型槽内，第二端接触所述驱动轴，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴；

第二压电陶瓷，设置于所述第二圆孔内，所述第二压电陶瓷的顶部与所述第二止动块第二端的底部接触；

第三弹簧，其一端与所述第二止动块第二端的顶部相连，另一端与一第二弹簧固定块的一端相连，所述第二弹簧固定块的另一端与所述框架相连；以及

第三压电陶瓷，其底部与所述框架的底部相连，顶部与所述移动块的底部相连。

可选的，所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动包括如下步骤：

所述第二压电陶瓷通电伸长，所述第二止动块克服所述第三弹簧的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴；

所述第三压电陶瓷通电伸长第一距离，所述移动块克服所述第二弹簧的压力，带动所述第一止动块、第一压电陶瓷以及驱动轴整体往上移动第一距离，其中，所述第一距离等于所述一级驱动装置的步距；

所述第二压电陶瓷断电复位，在所述第三弹簧的弹力作用下，所述第二止动块以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴；

所述第一压电陶瓷通电伸长，所述第一止动块克服所述第一弹簧的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴；

所述第三压电陶瓷断电复位，在所述第二弹簧的弹力作用下，所述移动块带动所述第一止动块、第一压电陶瓷整体往下移动第一距离；

所述第一压电陶瓷断电复位，所述第一止动块在所述第一弹簧的弹力作用下，以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴。

可选的，所述二级驱动装置为一第四压电陶瓷。

可选的，所述待调节元件为镜片。

本发明由于采用上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1)本发明提供的微动马达机构采用的元件少，体积小，其体积可控制在20mm×30mm×30mm范围内，并且由于采用的压电陶瓷数量少，从而节约了成本；

2)本发明提供的微动马达机构通过一级驱动装置循环驱动，实现粗调节，调节行程大，其调节行程上可达到几十毫米；

3)本发明提供的微动马达机构直接通过压电陶瓷实现微调节，使得该微动马达机构的分辨率高，可实现纳米级驱动调节；

4)本发明提供的微动马达机构采用止动块进行自锁，通过止动块旋转锁住驱动轴，从而拥有更大的保持力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的微动马达机构的结构示意图；

图2至图7为本发明实施例提供的微动马达机构的各使用状态图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的微动马达机构及其驱动方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种微动马达机构，用于调节待调节元件的位置，所述微动马达机构包括框架、设置在所述框架内的驱动轴、一级驱动装置以及二级驱动装置，所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动；所述二级驱动装置设置在所述驱动轴顶部，所述待调节元件设置在所述二级驱动装置上，所述二级驱动装置驱动所述待调节元件相对于所述驱动轴顶部移动；从而可利用所述一级驱动装置实现大驱动行程，利用所述二级驱动实现高分辨率；同时，本发明还提供一种上述微动马达机构的驱动方法，该方法利用所述一级驱动装置实现大驱动行程，利用所述二级驱动实现高分辨率，并且简单方便。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的微动马达机构的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的微动马达机构包括

框架1，所述框架1上设有一穿通其上下部的第一通孔；

驱动轴11，所述驱动轴11活动设置在所述第一通孔内；

一级驱动装置，设置在所述框架1内，对所述驱动轴11进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴11相对于所述框架1移动；

二级驱动装置14，设置在所述驱动轴11顶部，所述待调节元件设置在所述二级驱动装置14上，所述二级驱动装置14驱动所述待调节元件相对于所述驱动轴11顶部移动。

本发明实施例提供的微动马达机构通过一级驱动装置实现大行程驱动调节，通过二级驱动装置实现高分辨率调节。

进一步地，所述一级驱动装置包括移动块组合结构以及与所述移动块组合结构相连的框架组合结构；所述框架组合结构对所述驱动轴11进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴11及所述移动块组合结构相对于所述框架1移动；所述移动块组合结构对所述驱动轴11进行锁定或松开，并在松开时，相对于所述驱动轴11移动。

进一步地，所述移动块组合结构包括：

移动块9，所述移动块9上开有第一V型槽、第一圆孔以及与所述第一通孔相匹配的第二通孔，所述驱动轴11穿通所述第二通孔；

第一止动块3，其第一端嵌入所述V型槽内，第二端接触所述驱动轴11，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴11；

第一压电陶瓷4，设置于所述第一圆孔内，所述第一压电陶瓷的顶部与所述第一止动块3第二端的底部接触；

第一弹簧2，其一端与所述第一止动块3第二端的顶部相连，另一端与一第一弹簧固定块12的一端相连，所述第一弹簧固定块12的另一端与所述移动块9相连；以及

第二弹簧8，其一端与所述框架1的上部相连，另一端与所述移动块9的顶部相连。

进一步地，所述框架1的下部开有第二V型槽、第二圆孔，所述框架组合结构包括：

第二止动块6，其第一端嵌入所述第二V型槽内，第二端接触所述驱动轴11，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴11；

第二压电陶瓷7，设置于所述第二圆孔内，所述第二压电陶瓷7的顶部与所述第二止动块6第二端的底部接触；

第三弹簧5，其一端与所述第二止动块6第二端的顶部相连，另一端与一第二弹簧固定块13的一端相连，所述第二弹簧固定块13的另一端与所述框架1相连；以及

第三压电陶瓷10，其底部与所述框架1的底部相连，顶部与所述移动块9的底部相连。

本发明实施例提供的微动马达机构通过第一止动块3及第二止动块6旋转锁住或松开驱动轴11，从而拥有更大的保持力。

进一步地，所述二级驱动装置14为一第四压电陶瓷，由于单个压电陶瓷的最小步距可达到纳米级，因而可实现高分辨率驱动调节。

进一步地，所述待调节元件为镜片。

请继续参考图2至图7，图2至图7为本发明实施例提供的微动马达机构的各使用状态图，如图2至图7所示，本发明实施例提供的微动马达机构的驱动方法包括如下步骤：

所述一级驱动装置驱动所述驱动轴11相对于所述框架1移动，直至所述待调节元件的位置离目标位置的距离小于所述一级驱动装置的步距；

所述二级驱动装置14驱动所述待调元件相对于所述驱动轴11顶部移动，直至所述待调节元件的位置到达目标位置。

进一步地，所述一级驱动装置包括移动块组合结构以及与所述移动块组合结构相连的框架组合结构；所述框架组合结构对所述驱动轴11进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴11及所述移动块组合结构相对于所述框架1移动；所述移动块组合结构对所述驱动轴11进行锁定或松开，并在松开时，相对于所述驱动轴11移动。

进一步地，所述移动块组合结构包括：

移动块9，所述移动块9上开有第一V型槽、第一圆孔以及与所述第一通孔相匹配的第二通孔，所述驱动轴11穿通所述第二通孔；

第一止动块3，其第一端嵌入所述V型槽内，第二端接触所述驱动轴11，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴11；

第一压电陶瓷4，设置于所述第一圆孔内，所述第一压电陶瓷的顶部与所述第一止动块3第二端的底部接触；

第一弹簧2，其一端与所述第一止动块3第二端的顶部相连，另一端与一第一弹簧固定块12的一端相连，所述第一弹簧固定块12的另一端与所述移动块9相连；以及

第二弹簧8，其一端与所述框架1的上部相连，另一端与所述移动块9的顶部相连。

进一步地，所述框架1的下部开有第二V型槽、第二圆孔，所述框架组合结构包括：

第二止动块6，其第一端嵌入所述第二V型槽内，第二端接触所述驱动轴11，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴11；

第二压电陶瓷7，设置于所述第二圆孔内，所述第二压电陶瓷7的顶部与所述第二止动块6第二端的底部接触；

第三弹簧5，其一端与所述第二止动块6第二端的顶部相连，另一端与一第二弹簧固定块13的一端相连，所述第二弹簧固定块13的另一端与所述框架1相连；以及

第三压电陶瓷10，其底部与所述框架1的底部相连，顶部与所述移动块9的底部相连。

进一步地，所述一级驱动装置驱动所述驱动轴11相对于所述框架1移动包括如下步骤：

所述第二压电陶瓷7通电伸长，所述第二止动块6克服所述第三弹簧5的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴11，如图2所示；

所述第三压电陶瓷10通电伸长第一距离，所述移动块9克服所述第二弹簧8的压力，带动所述第一止动块3、第一压电陶瓷4以及驱动轴11整体往上移动第一距离，其中，所述第一距离等于所述一级驱动装置的步距，如图3所示；

所述第二压电陶瓷7断电复位，在所述第三弹簧5的弹力作用下，所述第二止动块6以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴11，如图4所示；

所述第一压电陶瓷4通电伸长，所述第一止动块3克服所述第一弹簧2的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴11，如图5所示；

所述第三压电陶瓷10断电复位，在所述第二弹簧8的弹力作用下，所述移动块9带动所述第一止动块3、第一压电陶瓷4整体往下移动第一距离，如图6所示；

所述第一压电陶瓷4断电复位，所述第一止动块3在所述第一弹簧2的弹力作用下，以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴11，如图7所示；至此，所述驱动轴11相对于所述框架向上移动了第一距离。

循环上述步骤，直至所述待调节元件的位置离目标位置的距离小于所述第一距离。

进一步地，调节过程结束后，控制所述二级驱动装置14还原；所述第二压电陶瓷7通电伸长，所述第二止动块6克服所述第三弹簧5的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴11，所述驱动轴11回到初始位置。所述第二压电陶瓷7断电复位，在所述第三弹簧5的弹力作用下，所述第二止动块6以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴11。

进一步地，所述二级驱动装置14为一第四压电陶瓷。

进一步地，所述待调节元件为镜片。

在本发明的一个具体实施例中，所述待调节元件为镜片，然而应该认识到，根据实际需要，所述待调节元件还可以为其它需要精密调节的元件，而并不限于镜片。

综上所述，本发明提供了一种微动马达机构，用于调节待调节元件的位置，所述微动马达机构包括框架、设置在所述框架内的驱动轴、一级驱动装置以及二级驱动装置，所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动；所述二级驱动装置设置在所述驱动轴顶部，所述待调节元件设置在所述二级驱动装置上，所述二级驱动装置驱动所述待调节元件相对于所述驱动轴顶部移动；从而可利用所述一级驱动装置实现大驱动行程，利用所述二级驱动实现高分辨率；同时，本发明还提供了一种上述微动马达机构的驱动方法，该方法利用所述一级驱动装置实现大驱动行程，利用所述二级驱动实现高分辨率，并且简单方便。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种微动马达机构，用于调节待调节元件的位置，其特征在于，包括：

框架，所述框架上设有一穿通其上下部的第一通孔；

驱动轴，所述驱动轴活动设置在所述第一通孔内；

一级驱动装置，设置在所述框架内，对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴相对于所述框架移动，所述一级驱动装置包括移动块组合结构以及与所述移动块组合结构相连的框架组合结构；所述框架组合结构对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，驱动所述驱动轴及所述移动块组合结构相对于所述框架移动；所述移动块组合结构对所述驱动轴进行锁定或松开，并在松开时，相对于所述驱动轴移动；

所述移动块组合结构包括：

移动块，所述移动块上开有第一V型槽、第一圆孔以及与所述第一通孔相匹配的第二通孔，所述驱动轴穿通所述第二通孔；

第一止动块，其第一端嵌入所述V型槽内，第二端接触所述驱动轴，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴；

第一压电陶瓷，设置于所述第一圆孔内，所述第一压电陶瓷的顶部与所述第一止动块第二端的底部接触；

第一弹簧，其一端与所述第一止动块第二端的顶部相连，另一端与一第一弹簧固定块的一端相连，所述第一弹簧固定块的另一端与所述移动块相连；以及

第二弹簧，其一端与所述框架的上部相连，另一端与所述移动块的顶部相连；

所述框架的下部开有第二V型槽、第二圆孔，所述框架组合结构包括：

第二止动块，其第一端嵌入所述第二V型槽内，第二端接触所述驱动轴，通过以所述第一端为支点旋转，锁定或松开所述驱动轴；

第二压电陶瓷，设置于所述第二圆孔内，所述第二压电陶瓷的顶部与所述第二止动块第二端的底部接触；

第三弹簧，其一端与所述第二止动块第二端的顶部相连，另一端与一第二弹簧固定块的一端相连，所述第二弹簧固定块的另一端与所述框架相连；以及

第三压电陶瓷，其底部与所述框架的底部相连，顶部与所述移动块的底部相连；

二级驱动装置，设置在所述驱动轴顶部，所述待调节元件设置在所述二级驱动装置上，所述二级驱动装置驱动所述待调节元件相对于所述驱动轴顶部移动；

所述二级驱动装置为一第四压电陶瓷。

2.如权利要求1所述的微动马达机构，其特征在于，所述待调节元件为镜片。

3.一种如权利要求1所述的微动马达机构的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动，直至所述待调节元件的位置离目标位置的距离小于所述一级驱动装置的步距；

所述二级驱动装置驱动所述待调元件相对于所述驱动轴顶部移动，直至所述待调节元件的位置到达目标位置。

4.如权利要求3所述的微动马达机构的驱动方法，其特征在于，所述一级驱动装置驱动所述驱动轴相对于所述框架移动包括如下步骤：

所述第二压电陶瓷通电伸长，所述第二止动块克服所述第三弹簧的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴；

所述第三压电陶瓷通电伸长第一距离，所述移动块克服所述第二弹簧的压力，带动所述第一止动块、第一压电陶瓷以及驱动轴整体往上移动第一距离，其中，所述第一距离等于所述一级驱动装置的步距；

所述第二压电陶瓷断电复位，在所述第三弹簧的弹力作用下，所述第二止动块以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴；

所述第一压电陶瓷通电伸长，所述第一止动块克服所述第一弹簧的压力，以所述第一端为支点旋转，松开所述驱动轴；

所述第三压电陶瓷断电复位，在所述第二弹簧的弹力作用下，所述移动块带动所述第一止动块、第一压电陶瓷整体往下移动第一距离；

所述第一压电陶瓷断电复位，所述第一止动块在所述第一弹簧的弹力作用下，以所述第一端为支点旋转，锁紧所述驱动轴。

5.如权利要求3至4任一项所述的微动马达机构的驱动方法，其特征在于，所述待调节元件为镜片。