專利名稱：基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密機(jī)械與自動控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，尤其適合在光路調(diào)整、精密驅(qū)動、微系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的微動控制臺，通常采用手動微調(diào)旋鈕，因此精度與重復(fù)性較差。對于多維度運動的微動臺控制系統(tǒng)，手動調(diào)節(jié)更加復(fù)雜，精度更低。傳統(tǒng)的電磁馬達(dá)配備減速器的也可進(jìn)行微動調(diào)節(jié)，但這類系統(tǒng)通常體積大、系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備成本高，而且其減速裝置由多個齒輪組成，造成減速傳動機(jī)構(gòu)空程大，使用不便。上個世紀(jì)90年代，美國NewFocus公司發(fā)明的“桌布原理”壓電致動裝置，采用壓電致動器來驅(qū)動，特點是體積小、位移分辨率高、操作便捷等。但是，該微動臺成本很高，售價昂貴。近年來，由于納米科技的飛速發(fā)展，壓電換能器(PZT)在精密定位系統(tǒng)中作為驅(qū)動器被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的微位移機(jī)構(gòu)為了達(dá)到要求，必須設(shè)計龐大而復(fù)雜的定位系統(tǒng)。而通常采用壓電驅(qū)動器的微位移裝置結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高。這類微位移裝置也是近幾年來的研究熱點，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)大量程、極高的位移分辨率。另外，基于壓電驅(qū)動技術(shù)的微位移裝置有利于滿足未來機(jī)電系統(tǒng)高度集成化的實際使用要求?；趬弘婒?qū)動器設(shè)計的微動臺裝置優(yōu)點眾多，但是通常這類微動臺的行程較短，限制較多。因此，近年來不斷有改進(jìn)型驅(qū)動器，使其能夠工作于大行程的微動臺上，并且能夠保持很高的位移分辨率。目前，大多數(shù)微動臺是利用旋轉(zhuǎn)的電磁電機(jī)或者壓電馬達(dá)，在電機(jī)或者馬達(dá)的輸出軸處采用外掛的絲杠螺母的運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，間接地將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，進(jìn)而驅(qū)動微動臺的臺面產(chǎn)生微位移。1998年董蜀湘、李龍土等人提出的壓電超聲微馬達(dá)驅(qū)動的二維微動臺就是這種典型類型，其中壓電馬達(dá)輸出軸插入微調(diào)旋鈕中心孔中構(gòu)成傳動件，驅(qū)動微動臺工作(如圖1、2所示),此微動臺精度較高,結(jié)構(gòu)靈活,并可實現(xiàn)XY臺面旋轉(zhuǎn)。但由于傳動機(jī)構(gòu)采用的是馬達(dá)的輸出軸外掛的絲杠螺母的運動轉(zhuǎn)換方式，在驅(qū)動的過程中勢必要產(chǎn)生空行程，從結(jié)構(gòu)驅(qū)動原理上是不可避免的，從而降低了此類微動臺的穩(wěn)定性以及定位精度的進(jìn)一步提高；而且這類微動臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠精簡，尤其是電機(jī)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，裝配和調(diào)整不方便，將來集成化難度較高；同時，支座、螺紋套的結(jié)構(gòu)使微動臺的精度受安裝、固定方式等邊界條件的影響較大(如圖1所示)，支座與微動臺的上板的水平度、壓電馬達(dá)輸出軸與螺紋套的間隙等都對微動臺的精度提高產(chǎn)生影響；另外，這種結(jié)構(gòu)主要問題在于，微動臺的性能指標(biāo)受到壓電超聲微電機(jī)的影響很大，微電機(jī)與微動臺之間的固定方式和固定力的大小都直接影響到微電機(jī)自身的振動模態(tài)和輸出力矩等輸出特性，這間接影響到了微動臺的定位精度、重復(fù)定位精度及其穩(wěn)定性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺包括采用壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動微動臺一維微動臺和二維微動臺；所述一維微動臺為在可相對移動的上板3和下板4的十字交叉中心線的一條兩端，彈簧7支撐在上板3和下板4之間，然后螺釘6穿過彈簧7后將上板3和下板4連接，在十字交叉中心線的另一條的一端，鋼球5固定在上板3和下板4之間，在另一端的上板3上的圓通孔內(nèi)配合插入固定套筒2，壓電螺紋驅(qū)動器I的定子圓板10與固定套筒2內(nèi)螺紋連接；壓電螺紋驅(qū)動器I中心固定驅(qū)動螺桿8，并與下板4接觸，構(gòu)成一維微動臺，當(dāng)微動臺的下板4固定時，壓電螺紋驅(qū)動器I驅(qū)動驅(qū)動螺桿8做直線運動，直接驅(qū)動上板3及固定其上的負(fù)載裝置運動；所述二維微動臺為在上板3對角線上，在其中一條的兩端位置上對稱設(shè)置圓通孔，兩個圓通孔內(nèi)各配合插入固定套筒2，兩個壓電螺紋驅(qū)動器I的定子圓板10與固定套筒2內(nèi)螺紋連接；壓電螺紋驅(qū)動器I中心固定驅(qū)動螺桿8，并與下板4接觸；在另一條對角線的一端，鋼球5固定在上板3和下板4之間，在該另一條對角線與鋼球5同一側(cè)，與鋼球5呈等腰三角形處，彈簧7支撐在上板3和下板4之間，然后螺釘6穿過彈簧7后將上板3和下板4連接，構(gòu)成二維微動臺，當(dāng)微動臺的下板4固定時，壓電螺紋驅(qū)動器I驅(qū)動驅(qū)動螺桿8做直線運動，直接驅(qū)動上板3及固定其上的負(fù)載裝置運動。所述上板3和下板4的中心均開中心通孔；互為微動臺板。所述上板3和下板4上的螺釘孔，一個為通孔，另一個為與螺釘6配合的螺紋孔。所述壓電螺紋驅(qū)動器包括激勵元件組、驅(qū)動螺桿和定子共軸組成；定子由圓板10和圓管11兩部分組成，圓管11固定并垂直于圓板10的中心；激勵元件組由四片壓電陶瓷片12與電極片13交替排列套在圓管外圓上組成，并通過鎖緊螺母14與圓管11外圓中部螺紋連接，圓管下部內(nèi)螺紋111與驅(qū)動螺桿8連接，圓板10的外側(cè)邊緣有用于與固定套筒2連接的外螺紋110，固定套筒2通過內(nèi)螺紋與壓電螺紋驅(qū)動器I配合連接，導(dǎo)線穿過固定套筒2上的矩形通孔15與所述的電極片13連接，當(dāng)施加電信號后，固定套筒2上的壓電螺紋驅(qū)動器I在激勵元件組的作用下推動驅(qū)動螺桿8做直線運動；所述的驅(qū)動螺桿直接驅(qū)動微動臺，無中間傳動機(jī)構(gòu)，無機(jī)械游隙的存在。所述壓電螺紋驅(qū)動器通過設(shè)置自身壓電陶瓷不同分區(qū)的極化方向和不同分區(qū)所加驅(qū)動電壓的波形，來實現(xiàn)將所述壓電陶瓷組的微振動直接轉(zhuǎn)換成驅(qū)動螺桿沿直線的正向或反方向運動。所述的壓電螺紋驅(qū)動器輸出軸為驅(qū)動螺桿，無中間傳動機(jī)構(gòu)，可直接驅(qū)動實現(xiàn)所述的微動臺的上板和下板之間的相對運動。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的微動臺板由壓電螺紋驅(qū)動器輸出軸代替了傳統(tǒng)的絲杠結(jié)構(gòu)，整體無傳動機(jī)構(gòu)，通過壓電螺紋驅(qū)動器輸出軸直接驅(qū)動微動臺板，是一種具有獨立結(jié)構(gòu)的小體積、高分辨率特性的壓電螺紋驅(qū)動器，此驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，與微動臺裝配容易，與傳統(tǒng)的采用電磁電機(jī)或者超聲馬達(dá)作為驅(qū)動元件的微動臺相比，其可靠性和分辨率大大提高，更加適用于條件苛刻的工作環(huán)境。具有如下特點:1.將壓電陶瓷的微振動直接耦合成宏觀的機(jī)械螺紋運動，實現(xiàn)微動臺的一維或者二維精密納米級定位運動，這種微振動到機(jī)械螺紋運動的轉(zhuǎn)換，并非傳統(tǒng)意義上的絲杠螺母式的旋轉(zhuǎn)到直線的運動方式的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明可以通過調(diào)控壓電陶瓷不同分區(qū)的電極化方向和不同分區(qū)所加驅(qū)動電壓的特定波形，來實現(xiàn)將上述壓電陶瓷的微振動直接轉(zhuǎn)換成螺紋機(jī)構(gòu)的直線驅(qū)動，即，這種驅(qū)動力直接來源于壓電陶瓷的微振動，不需要傳統(tǒng)螺母絲杠式的機(jī)械機(jī)構(gòu)運動方式的轉(zhuǎn)換，也就不存在機(jī)械游隙問題。且這種新型的壓電驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)簡單，壓電陶瓷的微振動與螺紋傳動機(jī)構(gòu)形成了獨立的系統(tǒng)或者器件，實現(xiàn)了微動臺驅(qū)動系統(tǒng)的高度集成。2.微動臺板可XY旋轉(zhuǎn)，可俯仰臺面，非傳統(tǒng)直線微動臺。使用固定套筒與微動臺上板中心孔配合，使用緊固螺釘將固定套筒安裝于微動臺上板，裝置緊湊、固定方式簡便，使壓電螺紋驅(qū)動器的驅(qū)動螺桿直接驅(qū)動微動臺板，兩個壓電螺紋驅(qū)動器可獨立實現(xiàn)臺面的俯仰，進(jìn)而實現(xiàn)多維旋轉(zhuǎn)。3.集成度的優(yōu)勢，反映在微動臺驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)的零部件的數(shù)量和成本方面，以傳統(tǒng)壓電電機(jī)(或者超聲馬達(dá))驅(qū)動的微動臺，超聲馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠螺母轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)形成微動臺的直線微動，一維臺所涉及的主要零部件數(shù)量至少12個。而本發(fā)明的新型驅(qū)動方式，實現(xiàn)同樣功能一維臺所需的零部件數(shù)量只需要6個。如果是二維臺，零部件數(shù)量按照維度數(shù)分別翻倍。維度越多，該技術(shù)所體現(xiàn)的成本優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢越明顯。


圖1為傳統(tǒng)壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1微動臺的驅(qū)動原理示意圖。圖3為基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺的驅(qū)動原理示意圖。圖4為壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動的一維微動臺結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖4側(cè)面示意圖。圖6為圖4的微動臺板微動示意圖。圖7為壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動的二維微動臺結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為壓電螺紋驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為壓電螺紋驅(qū)動器陶瓷片的分區(qū)、極化和加電方式示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了 一種基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其包括采用壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動微動臺一維微動臺和二維微動臺；。下面結(jié)合

和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。在圖4-6所示的壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動的一維微動臺結(jié)構(gòu)示意圖中，所述一維微動臺為在可相對移動的上板3和下板4的十字交叉中心線的一條兩端，彈簧7支撐在上板3和下板4之間，然后螺釘6穿過彈簧7后將上板3和下板4連接，在十字交叉中心線的另一條的一端，鋼球5固定在上板3和下板4之間，在另一端的上板3上的圓通孔內(nèi)配合插入固定套筒2，壓電螺紋驅(qū)動器I的定子圓板10與固定套筒2內(nèi)螺紋連接；壓電螺紋驅(qū)動器中心固定驅(qū)動螺桿8，驅(qū)動螺桿8與下板4接觸，構(gòu)成一維微動臺，在圖7所示的壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動的二維微動臺結(jié)構(gòu)示意圖中，在上板3對角線上，在其中一條的兩端位置上對稱設(shè)置圓通孔，兩個圓通孔內(nèi)各配合插入固定套筒2，兩個壓電螺紋驅(qū)動器I的定子圓板10分別兩個與固定套筒2內(nèi)螺紋連接，壓電螺紋驅(qū)動器I中心固定驅(qū)動螺桿8，并與下板4接觸；在另一條對角線的一端，鋼球5固定在上板3和下板4之間，在該另一條對角線與鋼球5同一側(cè)，與鋼球5呈等腰三角形處，彈簧7支撐在上板3和下板4之間，然后螺釘6穿過彈簧7后將上板3和下板4連接，構(gòu)成二維微動臺；上述上板3和下板4為可相對移動的微動臺板，當(dāng)將下板4固定的時候，該板為固定板，上板3為可相對移動板，反之亦然；鋼球5、兩組套于螺釘6上的拉力彈簧7，用于保持上板3和下板4處于適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力狀態(tài)，兩組彈簧和鋼球組成上板3和下板4的三個受力點；當(dāng)微動臺的下板4固定時，壓電螺紋驅(qū)動器I驅(qū)動驅(qū)動螺桿8做直線運動，直接驅(qū)動上板3及固定其上的負(fù)載裝置運動；圖3所示為基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺的驅(qū)動原理示意圖。圖8為壓電螺紋驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖，所述壓電螺紋驅(qū)動器包括激勵元件組、驅(qū)動螺桿和定子共軸組成；定子由圓板10和圓管11兩部分組成，圓管11固定并垂直于圓板10的中心；激勵元件組由四片壓電陶瓷片12與電極片13交替排列套在圓管外圓上組成，并通過鎖緊螺母14與圓管11外圓中部螺紋連接，圓管下部內(nèi)螺紋111與驅(qū)動螺桿8連接，圓板
10的外側(cè)邊緣有用于與固定套筒2連接的外螺紋110，固定套筒2通過內(nèi)螺紋與壓電螺紋驅(qū)動器I配合連接，導(dǎo)線穿過固定套筒2上的矩形通孔15與所述的電極片13連接，當(dāng)施加電信號后，固定套筒2上的壓電螺紋驅(qū)動器I在激勵元件組的作用下推動驅(qū)動螺桿8做直線運動；所述的驅(qū)動螺桿直接驅(qū)動微動臺，無中間傳動機(jī)構(gòu)，無機(jī)械游隙的存在。圖9為壓電螺紋驅(qū)動器陶瓷片的分區(qū)、極化和加電方式示意圖。圖8中的激勵元件組激勵時分成壓電陶瓷121和壓電陶瓷122兩組，每片陶瓷的表面電極均勻分為兩個分區(qū)，每個分區(qū)都沿著陶瓷的厚度方向極化，但極化的方向相反，圖中以“ + ” 符號代表不同的極化方向。在放置第一組壓電陶瓷121和第二組壓電陶瓷122兩組陶瓷時，空間上錯開90度，第一組壓電陶瓷121和第二組壓電陶瓷122兩組陶瓷分別加相位差為90度的正弦信號和余弦信號，當(dāng)相位差為90度的兩相交流信號通過電極片13加載在第一組壓電陶瓷121和第二組壓電陶瓷122上時，定子將被激發(fā)作旋轉(zhuǎn)式搖頭彎曲振動，該行波波動將使定子表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，此橢圓運動通過定子上的驅(qū)動螺紋111和驅(qū)動螺桿8接觸，使驅(qū)動螺桿8沿周向旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生直線運動，交換兩路信號可實現(xiàn)驅(qū)動螺桿8的反向旋轉(zhuǎn)和反向直線運動。上述各實施例中，激勵元件除采用壓電陶瓷材料外，還還可以采用磁致伸縮材料、電致伸縮材料、人工肌肉、形狀記憶合金等。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺包括采用壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動微動臺一維微動臺和二維微動臺；所述一維微動臺為在可相對移動的上板(3)和下板(4)的十字交叉中心線的一條兩端，彈簧(7)支撐在上板(3)和下板(4)之間，然后螺釘(6)穿過彈簧(7)后將上板(3)和下板(4)連接，在十字交叉中心線的另一條的一端，鋼球(5)固定在上板(3)和下板(4)之間，在另一端的上板(3)上的圓通孔內(nèi)配合插入固定套筒(2)，壓電螺紋驅(qū)動器(I)的定子圓板(10)與固定套筒(2)內(nèi)螺紋連接；壓電螺紋驅(qū)動器(I)中心固定驅(qū)動螺桿(8)，并與下板(4)接觸，構(gòu)成一維微動臺，當(dāng)微動臺的下板(4)固定時，壓電螺紋驅(qū)動器(I)驅(qū)動驅(qū)動螺桿(8 )做直線運動，直接驅(qū)動上板(3)及固定其上的負(fù)載裝置運動； 所述二維微動臺為在上板(3)對角線上，在其中一條的兩端位置上對稱設(shè)置圓通孔，兩個圓通孔內(nèi)各配合插入固定套筒(2)，兩個壓電螺紋驅(qū)動器(I)的定子圓板(10)與固定套筒(2)內(nèi)螺紋連接；壓電螺紋驅(qū)動器(I)中心固定驅(qū)動螺桿(8)，并與下板(4)接觸；在另一條對角線的一端，鋼球(5)固定在上板(3)和下板(4)之間，在該另一條對角線與鋼球(5)同一側(cè)，與鋼球(5)呈等腰三角形處，彈簧(7)支撐在上板(3)和下板(4)之間，然后螺釘(6)穿過彈簧(7)后將上板(3和下板(4)連接，構(gòu)成二維微動臺，當(dāng)微動臺的下板(4)固定時，壓電螺紋驅(qū)動器(I)驅(qū)動驅(qū)動螺桿(8 )做直線運動，直接驅(qū)動上板(3 )及固定其上的負(fù)載裝置運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述上板(3)和下板(4)的中心均開中心通孔；互為微動臺板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述上板(3)和下板(4)上的螺釘孔，一個為通孔，另一個為與螺釘(6)配合的螺紋孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述壓電螺紋驅(qū)動器包括激勵元件組、驅(qū)動螺桿和定子共軸組成；定子由圓板(10)和圓管(11)兩部分組成，圓管(11)固定并垂直于圓板(10)的中心；激勵元件組由四片壓電陶瓷片(12)與電極片(13)交替排列套在圓管外圓上組成，并通過鎖緊螺母(14)與圓管(11)外圓中部螺紋連接，圓管下部內(nèi)螺紋(111)與驅(qū)動螺桿(8連接，圓板(10)的外側(cè)邊緣有用于與固定套筒(2)連接的外螺紋(110)，固定套筒(2)通過內(nèi)螺紋與壓電螺紋驅(qū)動器(I)配合連接，導(dǎo)線穿過固定套筒(2)上的矩形通孔(15)與所述的電極片(13)連接，當(dāng)施加電信號后，固定套筒(2)上的壓電螺紋驅(qū)動器(I)在激勵元件組的作用下推動驅(qū)動螺桿(8)做直線運動；所述的驅(qū)動螺桿直接驅(qū)動微動臺，無中間傳動機(jī)構(gòu)，無機(jī)械游隙的存在。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述壓電螺紋驅(qū)動器通過設(shè)置自身壓電陶瓷不同分區(qū)的極化方向和不同分區(qū)所加驅(qū)動電壓的波形，來實現(xiàn)將所述壓電陶瓷組的微振動直接轉(zhuǎn)換成驅(qū)動螺桿沿直線的正向或反方向運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其特征在于，所述的壓電螺紋驅(qū)動器輸出軸為驅(qū)動螺桿，無中間傳動機(jī)構(gòu)，可直接驅(qū)動實現(xiàn)所述的微動臺的上板和下板之間的相對運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于精密機(jī)械與自動控制領(lǐng)域的一種基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，所述基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺包括采用壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動微動臺一維微動臺和二維微動臺。在上板上的適當(dāng)位置上對稱設(shè)置兩個固定套筒，兩個壓電螺紋驅(qū)動器與固定套筒內(nèi)螺紋配合連接；壓電螺紋驅(qū)動器中心固定驅(qū)動螺桿，并與下板接觸；兩個彈簧與鋼球呈等腰三角形支撐在上板與下板之間本發(fā)明壓電陶瓷的微振動可使驅(qū)動螺桿沿直線的正、反方向運動，驅(qū)動螺桿直接驅(qū)動微動臺，無中間傳動機(jī)構(gòu)；微動臺可實現(xiàn)XY旋轉(zhuǎn)，俯仰臺面，該新型微動臺具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、負(fù)載能力強(qiáng)等特點，適合在光路調(diào)整、精密驅(qū)動、微系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用。
文檔編號H02N2/04GK103199732SQ20131011330
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者褚祥誠, 王加煨, 袁世明 申請人:清華大學(xué), 精拓麗音科技(北京)有限公司