CN109140148A - 一种串联压电驱动纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了串联压电驱动纳米定位平台，安装在基座内的平台本体、安装在平台本体上的XY向运动平台和压电陶瓷驱动器，XY向运动平台分别通过X向柔性铰链与Y向柔性铰链装配在基座中，X向柔性铰链与Y向柔性铰链分别通过X向弹簧组件与Y向弹簧组件与平台本体连接；XY向运动平台内分别安装有用于检测该运动平台X向位移的X向传感器和用于检测该运动平台Y向位移的Y向传感器，X向传感器和Y向传感器读取的位移数据配合共同完成纳米定位平台的二自由度运动的检测与反馈；压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X向柔性铰链与Y向柔性铰链上，用于驱动XY向运动平台的二维运动。本发明的有益效果是串联的柔性铰链位移耦合小、偏航小、线性度好、定位精度高。

Description

一种串联压电驱动纳米定位平台

技术领域

本发明属于高精度定位设备技术领域，尤其是涉及一种串联压电驱动纳米定位平台。

背景技术

纳米器件包括纳米电子器件和纳米光电器件，可广泛应用于电子学、光学、微机械装置、新型计算机等，是当今新材料与新器件研究领域中最富有活力的研究领域，也是元器件小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国防价值，使得其设计和制造的方法、途径、工艺等成为众多科学家、政府和大型企业研究和投资的热电。

在大行程、高速、高精度的纳米定位***在现代尖端工业制造和科学研究领域占有极其重要的地位。随着集成电路(Integrated circuit)制造、生物芯片技术、高精数控加工技术及高速扫描检测等技术的迅速发展，对定位***的行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求，对高速、高精度定位***的研究也迫在眉睫。

目前，现有的纳米定位平台采用压电陶瓷驱动器驱动，带有放大机构和解耦结构的串并联结构。但是并联纳米定位平台存在较为严重的耦合现象，并且刚度小，平台的稳定性差、影响定位平台的定位精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、操作简单、定位精度高、线性度好、偏航小、避免位移耦合现象的串联压电驱动纳米定位平台。

本发明的技术方案如下：

一种串联压电驱动纳米定位平台，包括基座、安装在基座内的平台本体、安装在平台本体上的XY向运动平台和压电陶瓷驱动器，所述XY向运动平台分别通过X向柔性铰链与Y向柔性铰链装配在所述基座中，所述X向柔性铰链与Y向柔性铰链分别通过X向弹簧组件与Y向弹簧组件与所述平台本体连接；

所述XY向运动平台内分别安装有用于检测该运动平台X向位移的X向传感器和用于检测该运动平台Y向位移的Y向传感器，所述X向传感器和Y向传感器读取的位移数据配合共同完成所述纳米定位平台的二自由度运动的检测与反馈；

所述压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X向柔性铰链与Y向柔性铰链上，用于驱动XY向运动平台的二维运动。

在上述技术方案中，所述压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷驱动器和Y向压电陶瓷驱动器，所述X向压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷组件和驱动器，所述X向压电陶瓷组件的顶端与所述XY向运动平台的X向静区相接触，该X向压电陶瓷组件的末端与所述XY向运动平台的X向动区固定连接，所述Y向压电陶瓷驱动器包括Y向压电陶瓷组件和驱动器，所述Y向压电陶瓷组件的顶端与所述XY向运动平台的Y向静区相接触，该Y向压电陶瓷组件的末端与所述XY向运动平台的Y向动区固定连接。

在上述技术方案中，所述X向压电陶瓷组件与Y向压电陶瓷组件均包括压电陶瓷、第一预紧螺母和第一锁紧螺母，所述压电陶瓷的一端与第一预紧螺母连接，所述第一预紧螺母与第一锁紧螺母连接。

在上述技术方案中，所述压电陶瓷的两端分别为半球形。

在上述技术方案中，在所述XY运动平台上还安装有弹簧组件以用于所述X向柔性铰链与Y向柔性铰链的位移回复。

在上述技术方案中，所述弹簧组件包括X向弹簧组件和Y向弹簧组件，所述X向弹簧组件的顶端与所述XY向运动平台的X向静区相接触，该X向弹簧组件的末端与所述XY向运动平台的X向动区固定连接，所述Y向弹簧组件的顶端与所述XY向运动平台的的Y向静区相接触，该Y向弹簧组件的末端与所述XY向运动平台的所述XY向运动平台的Y向动区固定连接。

在上述技术方案中，所述弹簧组件包括弹簧、第二预紧螺母和第二锁紧螺母，所述弹簧的一端与第二预紧螺母连接，所述第二预紧螺母与第二锁紧螺母连接。

在上述技术方案中，所述X向柔性铰链与Y向柔性铰链为三层切割结构的柔性铰链。

在上述技术方案中，所述X向传感器位于所述XY向运动平台的X向静区与X向动区间，所述Y向传感器位于所述XY向运动平台的Y向静区与Y向动区间。

在上述技术方案中，所述X向传感器与Y向传感器为电容传感器。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.串联的柔性铰链与压电陶瓷组件配合，传感器在串联的柔性铰链内部形成闭环，有效避免位移耦合现象，提高定位的精准度。

2.柔性铰链采用多层切割的方式，在保证相同行程的前提下，缩短了铰链的长度，且增加了铰链的厚度，有效解决定位平台的行程问题，并且提高了定位平台的稳定性。

3.串联的柔性铰链结构使平台主体结构紧凑，谐振频率高，线性度好，偏航小。

附图说明

图1是本发明的串联压电驱动纳米定位平台的结构示意图；

图2是本发明中柔性铰链的局部结构示意图；

图3是本发明中压电陶瓷组件的结构示意图。

图中：

1、平台本体 2、X向压电陶瓷组件 3、X向弹簧组件

4、Y向压电陶瓷组件 5、Y向弹簧组件 6、X向传感器

7、Y向传感器 8、X向柔性铰链 9、Y向柔性铰链

10、压电陶瓷 11、第一预紧螺母 12、第一锁紧螺母

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1-图3所示，本发明的串联压电驱动纳米定位平台，包括基座、安装在基座内的平台本体1、安装在平台本体1上的XY向运动平台和压电陶瓷驱动器，XY向运动平台分别通过X向柔性铰链8与Y向柔性铰链9装配在基座中，X向柔性铰链8与Y向柔性铰链9分别通过X向弹簧组件3与Y向弹簧组件5与平台本体1连接，X向柔性铰链8与Y向柔性铰链9为三层切割结构的柔性铰链；XY向柔性铰链分别构成串联结构，以形成闭环。XY向运动平台内分别安装有用于检测该运动平台X向位移的X向传感器6和用于检测该运动平台Y向位移的Y向传感器7，X向传感器6位于XY向运动平台的X向静区与X向动区间，Y向传感器7位于XY向运动平台的Y向静区与Y向动区间，X向传感器6和Y向传感器7读取的位移数据配合共同完成纳米定位平台的二自由度运动的检测与反馈；压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X向柔性铰链8与Y向柔性铰链9上，用于驱动XY向运动平台的二维运动。

上述压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷驱动器和Y向压电陶瓷驱动器，X向压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷组件2和驱动器，X向压电陶瓷组件2的顶端与XY向运动平台的X向静区相接触，该X向压电陶瓷组件2的末端与XY向运动平台的X向动区固定连接，Y向压电陶瓷驱动器包括Y向压电陶瓷组件4和驱动器，Y向压电陶瓷组件4的顶端与XY向运动平台的Y向静区相接触，该Y向压电陶瓷组件4的末端与XY向运动平台的Y向动区固定连接。X向压电陶瓷组件2与Y向压电陶瓷组件4均包括压电陶瓷10、第一预紧螺母11和第一锁紧螺母12，压电陶瓷10的两端分别为半球形，其中压电陶瓷10的一端半球形与第一预紧螺母11连接，且第一预紧螺母11与压电陶瓷10接触的一端设有V型凹槽，压电陶瓷10的半球形一端安装在V型凹槽内的斜面相切且固定在凹槽内，第一预紧螺母11与第一锁紧螺母12连接。

上述在XY运动平台上还安装有弹簧组件以用于X向柔性铰链8与Y向柔性铰链9的位移回复；弹簧组件包括X向弹簧组件3和Y向弹簧组件5，X向弹簧组件3的顶端与XY向运动平台的X向静区相接触，该X向弹簧组件3的末端与XY向运动平台的X向动区固定连接，Y向弹簧组件5的顶端与XY向运动平台的的Y向静区相接触，该Y向弹簧组件5的末端与XY向运动平台的XY向运动平台的Y向动区固定连接；弹簧组件包括弹簧、第二预紧螺母和第二锁紧螺母，弹簧的一端与第二预紧螺母连接，第二预紧螺母与第二锁紧螺母连接。

其中，应当指出附图1中a为X轴静区、b为X轴动区、c为Y轴静区、d为Y轴动区。

使用压电陶瓷组件与柔性铰链串联的结构，能够有效避免位移耦合现象，并且能够传感器的连接在平台的内部形成闭环，能够实现精确的定位；柔性铰链采用多层切割的方式，在保证相同行程的前提下，缩短了铰链的长度，并增加了铰链的厚度，解决了平台的行程问题提高平台的稳定性，定位精度高。

在使用本发明的纳米定位平台时，XY方向分别采用X向的驱动器和Y向的驱动器，当X方向运动时实现X方向上平动，且Y方向保持静止，通过X向传感器6检测XY运动平台在X方向上的位移变化，以使外部控制器获取X向传感器6的数据，实现整体的闭环控制；与此同理，当Y方向运动时实现Y方向上平动，且X方向保持静止，通过Y向传感器7检测XY运动平台在Y方向上的位移变化，以使外部控制获取Y向传感器7的数据，实现整体的闭环控制，以保证检测的精确度。

实施例2

在实施例1的基础上，X向传感器6与Y向传感器7为电容传感器，与外部的控制器相连，实现平台在X或Y向的闭环控制，具有较高的定位精度。

实施例3

在实施例1的基础上，在平台本体1的上下表面安装有上盖板和下盖板，既能保护平台本体内的各个元件，还能保证定位平台的外形美观。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的等同变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种串联压电驱动纳米定位平台，包括基座、安装在基座内的平台本体(1)、安装在平台本体(1)上的XY向运动平台和压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述XY向运动平台分别通过X向柔性铰链(8)与Y向柔性铰链(9)装配在所述基座中，所述X向柔性铰链(8)与Y向柔性铰链(9)分别通过X向弹簧组件(3)与Y向弹簧组件(5)与所述平台本体(1)连接；

所述XY向运动平台内分别安装有用于检测该运动平台X向位移的X向传感器(6)和用于检测该运动平台Y向位移的Y向传感器(7)，所述X向传感器(6)和Y向传感器(7)读取的位移数据配合共同完成所述纳米定位平台的二自由度运动的检测与反馈；

所述压电陶瓷驱动器分别镶嵌在X向柔性铰链(8)与Y向柔性铰链(9)上，用于驱动XY向运动平台的二维运动。

2.根据权利要求1所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷驱动器和Y向压电陶瓷驱动器，所述X向压电陶瓷驱动器包括X向压电陶瓷组件(2)和驱动器，所述X向压电陶瓷组件(2)的顶端与所述XY向运动平台的X向静区相接触，该X向压电陶瓷组件(2)的末端与所述XY向运动平台的X向动区固定连接，所述Y向压电陶瓷驱动器包括Y向压电陶瓷组件(4)和驱动器，所述Y向压电陶瓷组件(4)的顶端与所述XY向运动平台的Y向静区相接触，该Y向压电陶瓷组件(4)的末端与所述XY向运动平台的Y向动区固定连接。

3.根据权利要2所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述X向压电陶瓷组件(2)与Y向压电陶瓷组件(4)均包括压电陶瓷(10)、第一预紧螺母(11)和第一锁紧螺母(12)，所述压电陶瓷(10)的一端与第一预紧螺母(11)连接，所述第一预紧螺母(11)与第一锁紧螺母(12)连接。

4.根据权利要求3所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述压电陶瓷(10)的两端分别为半球形。

5.根据权利要求4所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：在所述XY运动平台上还安装有弹簧组件以用于所述X向柔性铰链(8)与Y向柔性铰链(9)的位移回复。

6.根据权利要求5所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述弹簧组件包括X向弹簧组件(3)和Y向弹簧组件(5)，所述X向弹簧组件(3)的顶端与所述XY向运动平台的X向静区相接触，该X向弹簧组件(3)的末端与所述XY向运动平台的X向动区固定连接，所述Y向弹簧组件(5)的顶端与所述XY向运动平台的的Y向静区相接触，该Y向弹簧组件(5)的末端与所述XY向运动平台的所述XY向运动平台的Y向动区固定连接。

7.根据权利要求6所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述弹簧组件包括弹簧、第二预紧螺母和第二锁紧螺母，所述弹簧的一端与第二预紧螺母连接，所述第二预紧螺母与第二锁紧螺母连接。

8.根据权利要求7所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述X向柔性铰链(8)与Y向柔性铰链(9)为三层切割结构的柔性铰链。

9.根据权利要求8所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述X向传感器(6)位于所述XY向运动平台的X向静区与X向动区间，所述Y向传感器(7)位于所述XY向运动平台的Y向静区与Y向动区间。

10.根据权利要求9所述的串联压电驱动纳米定位平台，其特征在于：所述X向传感器(6)与Y向传感器(7)为电容传感器。