一种多叶准直器的驱动机构

本发明涉及医疗设备，特别涉及一种高精度的多叶准直器的驱动机构。

背景技术：

1、随着医学技术的发展，放射治疗始终是恶性肿瘤的一种重要手段，其目标是最大限度地将放射线集中照射到肿瘤(靶区)，而周围的正常组织及器官应受到最小剂量的辐射。准直器是放射治疗设备的关键组件之一，安装在射线源加速器前端，通过准直器的扩缩来调节射线放射的范围，在放射治疗过程中有着重要的作用。多叶准直器(multi-leafcollimator,简称mlc)是一种取代传统的人工操作的铅射野挡块的装置，其能够控制放射的范围，能更好地分开靶区和周围正常组织的剂量，达到靶区内剂量的均一照射，实现适形放射治疗的目的，而为实现这一精准的控制就需要对多叶准直器叶片的到位精度以及叶片的同步程度进行高精确的控制，而多电机驱动总会出现叶片同步程度不高的情况。

2、国内多叶准直器的主流结构中目前广泛使用的是电磁电机作为驱动源，通过齿轮或者丝杆进行传动，从而带动叶片的转动。目前的电机在叶片的精准度控制上已达到了上限。若想要进一步提高叶片运动控制的精准度，那么就需要在控制方法、驱动源和驱动结构上更进一步。同时，在目前主流的放射治疗技术中，就容积调强技术而言对多叶准直器的性能要求重点体现在速度快。因此有必要对叶片控制的反应速度做出大提升。

3、同时现有的多叶准直器因其电机的影响，在电机启停及运行的过程中会产生电磁噪声，容易对控制电路造成干扰，不利于设备的精准运行。

4、行波型超声电机是利用压电材料的逆压电效应使弹性体产生超声频段内的振动，定子下端面的环形凸缘做椭圆运动，进而通过摩擦作用将微观的振动转化为转子的旋转运动。与传统电磁电机相比，行波型超声电机存在结构简单、低速大扭矩、断电自锁、控制精度高、快速响应、不产生磁场等优点。因此压电驱动是多叶准直器一种理想的驱动方式。

5、然而超声电机是靠摩擦力驱动的，因此需要在转子和定子间施加一定预压力；通常都是使用柔性件施加预压力；但随着环境温度变化、定动子之间的磨损和装配误差等因素会使得预压力大小发生改变，影响电机的输出性能；同时超声电机的定、动子间存在高频的冲击碰撞作用，会激发出特殊频率的振动，这对于电机输出性能要求高精度、高稳定度的领域是无法接受的，会严重影响准直器的同步性；因此，本发明提出在轴向实现准零刚度系统的预压力桁架结构；这种桁架机构在轴向构成准零刚度系统，在平衡点位置的动态刚度基本为零，同时保留原线性承载能力，可以提供恒定预压力，还可以隔绝定动子间冲击碰撞引起的振动，保证电机稳定的输出性能。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的技术问题，提供了一种基于行波型超声电机驱动的高精度、高同步多叶准直器的驱动机构，该多叶准直器采用行波型超声电机驱动，实现了准直器多叶片的单电机驱动方式，实现放射治疗中视野大小的高同步、高精度控制。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种多叶准直器的驱动机构，包括：底座、预压力桁架、轴承、叶片、转子、摩擦材料层、定子和压电陶瓷片；所述底座、轴承、预压力桁架、转子和定子均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内；准直器设置于转子轴的空腔内；所述轴承位于预压力桁架的空腔内；所述转子在下端面设有沿径向延伸的环形凸台，转子下端面的内腔为准直器的第二安装部设置有条形滑轨，滑轨用来和准直器叶片上端面的圆柱形凸起相装配，同时转子的上端面的第一环形面上粘有摩擦材料层，且转子轴位于定子轴的空腔内；所述转子的下端面的外圈是沿径向延伸的环形凸台，同时转子的第一内圈与轴承的第一外圈配合安装。

3、作为优选的一种技术方案，轴承第一外圈与转子的第一内圈面相配合，且轴承的下端面与底座的上端面的第二凸台上设置的第一凹台配合。

4、作为优选的一种技术方案，所述底座在上端面第一凸台上设有第一安装部，通过正六边形滑槽与叶片下端面的条形滑块配合安装，同时在上端面的第二凸台上设有第一凹台用于和轴承的配合安装，且在上端面的第三凸台上设有第一环形凹槽以及沿周向分布的螺栓孔。

5、作为优选的一种技术方案，所述准直器叶片下端面通过设置条形滑块与底座上端面的正六边形凹槽相配合装配，其上端面通过圆柱形凸起与转子在下端面内圈设置的条形滑槽相配合。

6、作为优选的一种技术方案，所述预压力桁架下端面为环形面与底座上端面的第一环形凹槽相装配，同时预压力桁架的上端面的环形面和转子下端面设置的第二环形面相接触配合。

7、作为优选的一种技术方案，所述摩擦材料层的另一端面与定子下端面的环形凸缘相接触。

8、作为优选的一种技术方案，所述定子在下端面的内圈设有环形凸缘，定子的另一端面粘有压电陶瓷片。

9、作为优选的一种技术方案，所述定子与底座通过螺栓连接固定，定子下端面的外圈设置有沿周向的螺栓组件，底座的外圈沿周向设置有螺栓孔。

10、作为优选的一种技术方案，所述准直器通过第一安装部和第二安装部进行安装，第一安装部位于底座上端面的正六边形凹槽，第二安装部位于转子下端面的条形滑轨。

11、作为优选的一种技术方案，所述预压力桁架包括负刚度桁架结构和弹簧，所述弹簧的一端与预压力桁架的上端面连接，另一端与预压力桁架的下端面连接，所述负刚度桁架结构包裹在所述弹簧的外围。

12、本发明相对于现有技术的有益效果是：

13、1.由于本发明设置有底座、定子和转子；所述底座、定子和转子均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内，因此将准直器设置于转子轴的空腔内，可实现视野的通过，同时其空心直径大。

14、2.由于本发明整体设计中只存在一个电机驱动，依赖于定子向转子进行动能传递，当定子在外加的交流信号激励作用下，其下端面的环形凸缘产生微幅的椭圆运动，在摩擦力的作用下带动转子做旋转运动。单电机的传动方式决定了动力源的唯一性，因此准直器视野的调节只能依赖于转子的传动，而准直器的叶片通过第一安装部和第二安装部紧密配合安装，单一的驱动源配合紧凑的传动结构实现了传动的同步性，同时高同步性结合超声电机断电自锁的特性可实现每个叶片“走、停”的同步控制，此外超声电机断电自锁的特性还有利于解决叶片惯性运动以及叶片间碰撞导致的不同步问题。有效保证准直器可以在指定区域内精准进行放射治疗，有利于提高放射治疗的效果。

15、3.由于本发明使用的超声电机依赖于摩擦原理进行传动，因此在垂直于定子和转子端面的方向上需要提供一定的预压力。但随着环境温度变化、定动子之间的磨损和装配误差以及超声电机的定、动子间激发的高频振动，会严重影响准直器的同步性；因此，本发明提出在轴向实现准零刚度系统的预压力桁架结构；这种桁架机构在轴向构成准零刚度系统，在平衡点位置的动态刚度基本为零，同时保留原线性承载能力，可以提供恒定预压力，还可以隔绝定动子间冲击碰撞引起的振动，保证电机稳定的输出性能。因此，本发明中预压力桁架的设计可以保证超声电机输出状况的稳定，满足准直器对视野收放的高精度、高同步性控制。

16、4.转子置于定子的空腔内，转子设计为空心。定子下端面的环形凸缘高频微观振动通过摩擦作用实现转子在垂直于定子轴的平面上作旋转运动。所述准直器的安装通过第一安装部和第二安装部实现了紧凑安装，当转子转动时，实现对准直器叶片运动的精准控制，进而完成准直器视野的调节。单驱动源传动、紧凑的传动结构、电机稳定的输出性能和超声电机断电自锁的特性有效解决了叶片惯性运动问题、叶片间弹性碰撞问题。由于本发明超声电机传动同步性和速度控制性能好，位置分辨率高，响应快，无电磁干扰，因此可实现准直器的高精度自动调节，且本发明也非常适合应用于卫星合成孔径雷达、红外探测和激光精密加工中的调节。

17、5.由于所述定子沿周向通过设置螺栓组件用于安装固定，因此在其他器件上使用本发明时，可方便地将本发明固定在该器件上。