[發明專利]一種壓電陶瓷驅動的三自由度角度調節裝置及調節方法

有效

• 申請號: 201610326612.9
• 申請日: 2016-05-17
• 公開（公告）號: CN106026763B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 徐明龍;田征;敬子建
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于壓電陶瓷驅動的三自由度調節裝置，其特征在于：包括依次連接的Z方向偏轉機構(1)、X方向偏轉機構(2)、Y方向偏轉機構(3)和載物臺(4)；所述Z方向偏轉機構(1)位于XOY平面內，為裝置的安裝底座，X方向偏轉機構(2)位于YOZ平面內，Y方向偏轉機構(3)位于XOZ平面內；

所述Z方向偏轉機構(1)由安裝基板(1-1)、第一帶預壓力的壓電堆作動器(1-2)、第一Z方向偏轉梁(1-3)、第二帶預壓力的壓電堆作動器(1-4)、Z方向偏轉塊(1-5)和第二Z方向偏轉梁(1-6)組成；所述安裝基板(1-1)分別與第一Z方向偏轉梁(1-3)和第二Z方向偏轉梁(1-6)通過柔性鉸鏈連接；第一Z方向偏轉梁(1-3)和第二Z方向偏轉梁(1-6)與Z方向偏轉塊(1-5)通過柔性鉸鏈連接；Z方向偏轉塊(1-5)無鉸鏈的兩側為安裝凹槽；第一帶預壓力的壓電堆作動器(1-2)和第二帶預壓力的壓電堆作動器(1-4)安裝在安裝基板(1-1)內，一端嵌入安裝基板(1-1)內，另一端分別安裝在通過柔性鉸鏈與第二Z方向偏轉梁(1-6)和第一Z方向偏轉梁(1-3)連接的槽內；

所述X方向偏轉機構(2)由整塊金屬切割成的框架和兩個壓電堆組成；包括形狀為向上“凹”形的軸對稱的金屬框形成的基座(2-1)，基座(2-1)內部的凹槽用于與Y方向偏轉機構(3)安裝配合用，基座(2-1)內側頂部兩端通過外側柔性鉸鏈與第一X方向偏轉梁(2-3)和第二X方向偏轉梁(2-5)相連；第一X方向偏轉梁(2-3)和第二X方向偏轉梁(2-5)的內側通過內側柔性鉸鏈與X方向偏轉塊(2-4)相連；X方向偏轉塊(2-4)為向下“凹”形的金屬塊，用于和Y方向偏轉機構(3)中的Y方向偏轉塊安裝配合用；基座(2-1)的底部有兩個突出的金屬塊，形成下凹安裝槽(2-8)，用于與Z方向偏轉機構(1)上的Z方向偏轉塊(1-5)的安裝凹槽實現安裝用；第一X方向偏轉梁(2-3)和第二X方向偏轉梁(2-5)靠近基座(2-1)處的下端分別設置有用底部柔性鉸鏈連接的金屬帽，用于安裝壓電堆并起導向作用；第一X方向壓電堆(2-2)和第二X方向壓電堆(2-6)下端安裝在基座(2-1)上，上端通過金屬帽與第一X方向偏轉梁(2-3)和第二X方向偏轉梁(2-5)相連；

所述Y方向偏轉機構(3)由整塊金屬切割成的框架和兩個壓電堆組成；包括剛性基座(3-1)，剛性基座(3-1)底部有一個凹槽用于和X方向偏轉機構(2)的底部凹槽實現定位配合，所述Y方向偏轉機構(3)和X方向偏轉機構(2)垂直安裝，并通過加工尺寸來保證配合；剛性基座(3-1)內側頂部兩端通過外側柔性鉸鏈與第一Y方向偏轉梁(3-3)和第二Y方向偏轉梁(3-5)相連接；第一Y方向偏轉梁(3-3)和第二Y方向偏轉梁(3-5)靠近剛性基座(3-1)處的端通過底部柔性鉸鏈與壓電堆安裝帽相連接；第一Y方向偏轉梁(3-3)和第二Y方向偏轉梁(3-5)的內側通過內側柔性鉸鏈與Y方向偏轉塊(3-4)連接；Y方向偏轉塊(3-4)為上表面帶有凹槽的金屬塊，凹槽用于和X方向偏轉塊(2-4)安裝配合；第一Y方向壓電堆(3-2)和第二Y方向壓電堆(3-6)下端安裝在剛性基座(3-1)上，上端分別安裝在第一Y方向偏轉梁(3-3)和第二Y方向偏轉梁(3-5)壓電堆安裝帽上；

所述載物臺(4)上表面為物體安裝平面，形狀根據對象設定；底部為X、Y雙向的凹槽分別用于與X方向偏轉塊(2-4)和Y方向偏轉塊(3-4)相連，安裝后的X方向偏轉塊(2-4)與Y方向偏轉塊(3-4)成為一個整體。

2.根據權利要求1所述的基于壓電陶瓷驅動的三自由度調節裝置，其特征在于：所述Z方向偏轉機構(1)和X方向偏轉機構(2)之間相配合部分通過螺釘連接，X方向偏轉機構(2)和Y方向偏轉機構(3)之間配合部分通過螺釘連接，載物臺(4)與X方向偏轉機構(2)和Y方向偏轉機構(3)安裝后的偏轉塊通過螺釘連接。

3.權利要求1所述基于壓電陶瓷驅動的三自由度調節裝置的調節方法：其特征在于：

對于所述Z方向偏轉機構(1)，當安裝在Z方向偏轉機構(1)內的第一帶預壓力的壓電堆作動器(1-2)和第二帶預壓力的壓電堆作動器(1-4)在一對大小相等方向相同的電壓作用下，基于壓電材料的逆壓電效應，壓電堆產生大小相等方向相反的一對位移，第一帶預壓力的壓電堆作動器(1-2)和第二帶預壓力的壓電堆作動器(1-4)分別通過柔性鉸鏈推動相連的第二Z方向偏轉梁(1-6)和第一Z方向偏轉梁(1-3)沿伸長方向產生偏轉，進而通過柔性鉸鏈驅動位于中間的Z方向偏轉塊(1-5)產生偏轉；Z方向偏轉塊(1-5)帶動整個調節裝置產生Z方向的偏轉；

對于所述X方向偏轉機構(2)，當安裝在X方向偏轉機構(2)內的第一X方向壓電堆(2-2)和第二X方向壓電堆(2-6)基于逆壓電效應，在一對差分電壓作用下產生一對差分形式位移輸出，第一X方向壓電堆(2-2)和第二X方向壓電堆(2-6)分別通過底部柔性鉸鏈推動相連的第一X方向偏轉梁(2-3)和第二X方向偏轉梁(2-5)繞著外側柔性鉸鏈偏轉，進而通過內側柔性鉸鏈驅動位于中間的X方向偏轉塊(2-4)繞著X軸偏轉，從而帶動載物臺(4)實現X軸方向上的偏轉；

對于所述Y方向偏轉機構(3)，當安裝在Y方向偏轉機構(3)內的第一Y方向壓電堆(3-2)和第二Y方向壓電堆(3-6)基于逆壓電效應，在一對差分電壓作用下，產生一對差分形式位移輸出，第一Y方向壓電堆(3-2)和第二Y方向壓電堆(3-6)通過底部柔性鉸鏈推動相連的第一Y方向偏轉梁(3-3)和第二Y方向偏轉梁(3-5)繞著外側柔性鉸鏈偏轉，進而通過內側柔性鉸鏈驅動位于中間的Y方向偏轉塊(3-4)繞著Y軸偏轉，從而帶動載物臺(4)實現Y方向上的偏轉；

所述X、Y、Z方向上的偏轉均為獨立驅動，X、Y輸出相互影響小，與Z向輸出獨立；整個裝置無機械摩擦，實現三軸高精度角度獨立調節。