[發明專利]一種Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺

有效

• 申請號: 201210331302.8
• 申請日: 2012-09-10
• 公開（公告）號: CN103000231A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 譚大川;翟嘉;吳永前;張燦
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G12B9/08
• 分類號: G12B9/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;盧紀

技術領域

本發明涉及一種精密機械技術中微驅動和微定位的工作臺機構，具體涉及一種Z-θx-θy三自由度亞微米級精度、抗一定彎矩、無耦合運動的工作臺，可用于精密測量、生物醫學、微電子器件制造等領域。?

背景技術

微定位、微操作技術是高精密儀器的基礎之一，在超精密檢測領域(如：掃描探針式顯微鏡)、生物醫學領域(如：細胞內藥物注射)等，有著廣泛的應用和需求。目前該技術多以壓電陶瓷(PZT)作為驅動器，使其柔性結構或彈性結構產生彈性變形，以此實現微定位。?

經過對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號：200810038553.0，發明名稱：X-Y-Z三自由度串聯式納米級微定位工作。該專利公開了一種使工作臺沿X-Y-Z三個方向水平平移的實現方法。此機構采用壓電陶瓷驅動器，并分別采用X、Y、Z三個位移放大器，同時各運動工作臺按順序依次連接，使得該工作臺各自由度之間運動無耦合，并可擴大行程。此外，中國專利號：200510098315.5，發明名稱：X-Y-θ三自由度微動工作臺。該專利公開了一種可使工作臺沿X、Y方向水平平移，并繞θ向旋轉的實現方法。上述兩種工作臺，前者均以軸向平移為主，缺乏旋轉自由度；而后者也僅能繞一個軸向旋轉。此外，由于該類微動結構多以壓電陶瓷為驅動器，而壓電陶瓷不能承受過大的彎矩，因此當微定位工作臺存在一定彎矩時，可能降低微定位工作臺精度，甚至損壞壓電陶瓷驅動器。?

發明內容

本發明技術解決問題：針對上述現有技術的不足，提供一種可實現Z-θx-θy三自由度無耦合運動、亞微米級精度、并可承載一定彎矩的微定位工作臺。?

本發明技術方案是：一種Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺，其特征在于包括：壓電陶瓷驅動器螺釘、壓電陶瓷驅動器端蓋、壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘、壓電陶瓷驅動器、圓筒、圓形片工作臺、彈性頂緊機構端蓋、彈性頂緊機構端蓋螺釘、彈性頂緊機構頂絲及彈性頂緊機構；?

其中，在圓形片工作臺的一側設有3支壓電陶瓷驅動器，壓電陶瓷驅動器為圓周均布，壓電陶瓷驅動器的工作端與圓形片工作臺緊密接觸；壓電陶瓷驅動器的固定端通過壓電陶瓷?驅動器螺釘與壓電陶瓷驅動器端蓋緊密固定；圓形片工作臺的另一側，與壓電陶瓷驅動器相對應的位置設有3支彈性頂緊機構，每支彈性頂緊機構通過彈性頂緊機構頂絲定位在彈性頂緊機構端蓋上；壓電陶瓷驅動器端蓋和彈性頂緊機構端蓋分別通過壓電陶瓷驅動器端蓋螺釘和彈性頂緊機構端蓋螺釘與外筒緊密固定；圓形片工作臺與圓筒相接觸面為球面，圓形片工作臺與圓筒為微間隙配合。?

所述圓形片工作臺與圓筒相接觸面為球面，且球面直徑略小于圓筒內徑。?

所述彈性頂緊機構為彈簧機構、柔性鉸鏈機構或彈性片機構。?

本發明的原理：本發明以一塊圓形片為工作臺；圓形片置放在一圓筒內，并與圓筒微間隙配合；圓形片與圓筒的配合面為球面，可實現圓形片工作臺在圓筒內的轉動、平移；圓形片工作臺一端面設置3支圓周均布的壓電陶瓷作為驅動器；圓形片工作臺另一端面與驅動器對應位置設有彈性頂緊機構，該彈性頂緊機構使得圓形片工作臺緊貼壓電陶瓷驅動器；即實現了以3支壓電陶瓷驅動器作為3點確定工作臺面的定位。?

本發明與現有技術相比的優點在于：?

(1)本發明在制造時，圓筒內徑根據圓形片外徑配研，兩者直徑間隙可小于1μm(半徑間隙可小于0.5μm)；同時，圓形片與圓筒的配合面為球面，可在圓筒內自由平移、滾動、旋轉。?

(2)本發明中，工作臺三個自由度的運動與壓電陶瓷驅動器伸長量構成函數關系，該函數關系滿足解析幾何學中三點確定一平面的理論，便于對工作臺進行控制。?

(3)本發明中，當工作臺承受彎矩時，工作臺存在以工作臺與外筒的接觸點為中心、繞其旋轉的趨勢；根據力學平衡理論，工作臺兩個端面受到的6個軸向力(3個壓電陶瓷的驅動力和3個彈性頂緊機構的壓力)將以該接觸點為中心，形成防翻的合力矩，保持工作臺的平衡。其中，3支驅動器不需要承受彎矩，只需承受軸向力，因此該工作臺既可承載一定的彎矩，又避免了壓電陶瓷被彎矩破壞。?

(4)本發明中，工作臺面為一塊圓形片，當工作臺上的器件需要穿線或光學貫穿等時，工作臺面也可設置為一塊圓環，便于操作和使用；此外，工作臺面可在圓形片基礎上外伸出其它所需結構。?

附圖說明

圖1是本發明的Z-θx-θy三自由度抗彎矩高精度工作臺整體結構示意圖；?

圖2是本發明的圓形片工作臺，其中左為主視圖，右為側視圖；?

圖3是本發明的圓形片工作臺運動或定位的幾何模型；?