两平动一转动大行程无耦合大中空并联压电微动平台的制作方法

本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的微位移机构，特别涉及一种两平动一转动大行程无耦合大中空并联压电微动平台。

背景技术：

压电微动平台是一种通过压电执行器驱动可产生弹性变形的柔性机构来传递位移与力的微位移机构。由于它没有铰链和轴承，所以不需要装配，不存在传动间隙，不产生摩擦与磨损；由于采用压电执行器驱动，故其位移分辨率可达到纳米级，响应时间可达到毫秒级，且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如，在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在mems（微机电系统）装配中，同微夹钳相结合，可将微轴、微齿轮装配成微部件；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。

两平动（沿x、y向移动）一转动（绕z轴即沿z向旋转）三自由度压电微动平台的实现方式主要有叠加式、串联式与并联式三种。叠加式是先分别制作出可沿x、y、z向输出微位移的单一自由度的压电微动平台，然后再将三个平台在高度方向按层叠加起来，这种平台设计容易，在运动上无耦合（即当平台沿某方向运动时，不会在另一方向产生寄生位移），安装与预紧压电执行器方便，但体积大，结构不紧凑，固有频率低，各运动方向的性能参数需分别进行设计。串联式是先在产生某一方向运动的动平台（外动平台）中制作出可产生另一方向运动的动平台（中间动平台），再在中间动平台中制作出可产生最后一方向运动的动平台（内动平台），这种平台结构紧凑，各动平台在运动上也无耦合，但有效台面较小，安装与预紧用于驱动中间动平台及内动平台的压电执行器困难，各运动方向的性能参数也需要分别进行设计。并联式是采用同一个动平台来实现各方向的运动，安装与预紧压电执行器方便，各运动方向的性能参数可同时进行设计，综合性能优于叠加式与串联式，但现有并联式结构复杂、不紧凑，工作台面小，位移行程小，存在位移耦合，固有频率低，不易于集成位移传感器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种结构简单紧凑、工作台面大、位移行程大、无位移耦合、固有频率高、易于集成位移传感器两平动一转动大行程无耦合大中空并联压电微动平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：两平动一转动大行程无耦合大中空并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，动台面的下方间隙设有定台体，定台体内间隙设有动台体，动台体和动台面之间螺固有第一螺钉；动台体包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘；定台体与第一边缘之间连有能弹性形变的第一导向单元；定台体与第二边缘之间分别连有能弹性形变的第二导向单元和第三导向单元；定台体与第三边缘之间连有能弹性形变的第四导向单元；定台体与第四边缘之间分别连有能弹性形变的第五导向单元和第六导向单元；第一导向单元内设有能向动台体方向伸缩的第一驱动单元，第二导向单元内设有能向动台体方向伸缩的第二驱动单元，第三导向单元内设有能向动台体方向伸缩的第三驱动单元。设垂直于动台面为z轴，第二驱动单元到第三驱动单元为x轴，以及垂直于x轴和z轴的为y轴。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的第四导向单元内设有朝向第三边缘的第一传感器组件，第五导向单元内设有朝向第四边缘的第二传感器组件，第六导向单元内设有朝向第四边缘的第三传感器组件。

上述的第一导向单元、第二导向单元、第三导向单元、第四导向单元、第五导向单元和第六导向单元这六个导向单元的结构相同，包括连于动台体的第五刚性块，呈半框状罩设在第五刚性块外侧的框体，连于框体末端和第五刚性块之间的第一柔性薄板，在框体上沿着第一柔性薄板长度方向横向突出的第一凸部，连于第一凸部且垂直于第一柔性薄板的第二柔性薄板，设于定台体且连于第二柔性薄板另一端的第二凸部，第二凸部位于第一凸部和动台体之间；每个导向单元中的一对第二柔性薄板、框体同定台体构成单平行四连杆机构，进而相对的两个导向单元通过各自的一对第二柔性薄板、框体同定台体构成双平行四连杆机构，在给第一驱动单元施加电压以及在给第二驱动单元和第三驱动单元同时施加相同的电压时，动台体和动台面沿x向和y向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元这三个驱动单元的结构相同，包括设于框体内的桥式放大机构以及设于桥式放大机构内的压电执行器，压电执行器平行于第一柔性薄板；桥式放大机构包括分设于压电执行器两端的第一刚性块和第三刚性块，间隙设于压电执行器的两侧的第二刚性块和第四刚性块；顺次连接第一刚性块、第二刚性块、第三刚性块和第四刚性块的第三柔性薄板；第三柔性薄板的一端与压电执行器中段之间的距离小于第三柔性薄板的另一端与压电执行器端部之间的距离；当压电执行器通电压伸长时，压电执行器推动第一刚性块和第三刚性块彼此远离，第三柔性薄板被第一刚性块和第三刚性块拉直，继而第二刚性块和第四刚性块彼此远离，最终由第四刚性块通过第五刚性块推动动台体移动；由第三柔性薄板、第一刚性块、第二刚性块、第三刚性块和第四刚性块所构成的桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台体及动台面的位移行程。

第二刚性块螺固于框体，第四刚性块螺固于第五刚性块；第一传感器组件、第二传感器组件和第三传感器组件的结构相同，包括螺固于框体的基座，以及固设于基座且正对第五刚性块的传感器探头。

上述的基座包括螺固于框体的第一板体，平行于第一板体且用于固连传感器探头的第二板体，第一板体和第二板体之间连有一对柔性折叠梁，一对柔性折叠梁中央的第一板体上设有第一螺纹孔，第一螺纹孔内旋设有末端顶于第二板体的调节螺钉。

上述的定台体和框体设有连通第一螺纹孔的第一通孔，第一通孔的直径大于调节螺钉的直径。

上述的定台体设有间隙容纳动台体的第一容纳槽，位于第一容纳槽边缘用于容纳框体的第二容纳槽，框体和第二柔性薄板间隙设于第二容纳槽内。

上述的动台体为矩形框形状，动台体设有正对第四刚性块的第一沉孔，第一沉孔内设有旋置于第四刚性块的第二螺钉，框体设有正对第二刚性块的第二沉孔，第二沉孔内设有旋置于第二刚性块的第三螺钉；定台体设有方便第三螺钉置入的第二通孔。

上述的动台体与动台面垂直设有中空孔。

上述的动台体高出定台体、第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的上表面，避免摩擦接触；桥式放大机构还包括顺次连接第一刚性块、第二刚性块、第三刚性块和第四刚性块的第四柔性薄板，第四柔性薄板平行间隙设于第三柔性薄板与压电执行器之间。桥式放大机构中一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性块、第一刚性块构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性块另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性块、第三刚性块也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性块两侧的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第四刚性块、第一刚性块、第三刚性块也构成双平行四连杆机构，在压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使驱动单元通过第四刚性块输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

上述的定台体的底部设有与定台体的外轮廓和中空孔的内轮廓相匹配的底板，底板与定台体之间螺固有第四螺钉；底板同动台体之间设有间隙，避免与动台体之间的摩擦接触，底板能防止灰尘从定台体的下方进入平台内部。

第一刚性块、第二刚性块、第三刚性块、第四刚性块、第三柔性薄板和第四柔性薄板为一体成型结构；定台体、第二凸部、第二柔性薄板、第一凸部、框体、第一柔性薄板、第五刚性块和动台体为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明的两平动一转动大行程无耦合大中空并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面，动台面的下方间隙设有定台体，定台体内间隙设有动台体，动台体和动台面之间螺固有第一螺钉；动台体包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘；定台体设有伸缩作用于第一边缘的第一驱动单元，伸缩作用于第二边缘的第二驱动单元和第三驱动单元，朝向第三边缘的第一传感器组件，朝向第四边缘的第二传感器组件和第三传感器组件。通过对第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的驱动实现动台体及动台面在水平面内的两平动一转动。

与现有的两平动一转动的并联压电微动平台相比，本发明的优点是：

1)相对于现有压电微动平台中驱动单元的输出方向与输入方向均沿压电执行器轴向，压电执行器的轴线垂直于定台体与动台体的边缘，驱动单元难以同定台体及动台体紧密结合，本发明中驱动单元的输出方向垂直于压电执行器的轴线，压电执行器的轴线平行于定台体与动台体的边缘，驱动单元能同定台体及动台体紧密结合，从而使平台整体结构简单紧凑、工作台面大。

2)驱动单元中的桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台体及动台面的位移行程。

3)每个导向单元中的一对第二柔性薄板、框体同定台体构成单平行四连杆机构，进而相对的两个导向单元通过各自的一对第二柔性薄板、框体同定台体构成双平行四连杆机构，在给第一驱动单元施加电压以及在给第二驱动单元和第三驱动单元同时施加相同的电压时，动台体和动台面沿x向和y向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

4)桥式放大机构中一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性块、第一刚性块构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性块另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性块、第三刚性块也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性块两侧的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第四刚性块、第一刚性块、第三刚性块也构成双平行四连杆机构，在压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使驱动单元通过第四刚性块输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

5)导向单元具有较大的长方形通孔，为平台集成位移传感器（如电容式位移传感器）预留出了足够的空间，从而使位移传感器（如电容式位移传感器）的集成易于实现。

6)导向单元中的一对第二柔性薄板位于动台体之外，驱动单元和位移传感器位于导向单元中，从而能使动台体具有大中空，这不仅能显著减小动台体及动台面的质量，大大提高平台的固有频率，而且当平台用作光学系统的调节机构时，这种大中空孔可以作为大通光孔径。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是图2中定台体的内部结构示意图；

图4是图3的全剖结构示意图；

图5是图3的分解结构示意图；

图6是图4的分解结构示意图；

图7是驱动单元的结构示意图；

图8是传感器组件的结构示意图；

图9是图5中定台体、导向单元和动台体一体成型后的结构示意图；

图10是图9的分解示意图；

图11是图4中a部的放大结构示意图；

图12是图4中b部的放大结构示意图；

图13是图10中第一导向单元的结构示意图；

图14是基座和传感器探头组合后的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图14为本发明的结构示意图，其中的附图标记为：动台面1、第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105、第六导向单元106、第一螺钉11、中空孔12、定台体2、第二通孔201、第三螺钉202、第一容纳槽21、第二容纳槽22、底板3、第四螺钉31、动台体4、第一边缘41、第二边缘42、第三边缘43、第四边缘44、第一沉孔401、第二螺钉402、第一驱动单元51、第二驱动单元52、第三驱动单元53、第一传感器组件61、第二传感器组件62、第三传感器组件63、驱动单元7、第五刚性块71、第一柔性薄板72、框体73、第二沉孔731、第一凸部74、第二柔性薄板75、第二凸部76、桥式放大机构8、第一刚性块81、第二刚性块82、第三刚性块83、第四刚性块84、压电执行器85、第三柔性薄板86、第四柔性薄板87、第一板体91、第一螺纹孔911、调节螺钉912、第一通孔913、柔性折叠梁92、第二板体93、传感器探头94、基座95。

图1至图14为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的两平动一转动大行程无耦合大中空并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面1，动台面1的下方间隙设有定台体2，定台体2内间隙设有动台体4，动台体4和动台面1之间螺固有第一螺钉11；动台体4包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘41、第二边缘42、第三边缘43和第四边缘44；定台体2与第一边缘41之间连有能弹性形变的第一导向单元101；定台体2与第二边缘42之间分别连有能弹性形变的第二导向单元102和第三导向单元103；定台体2与第三边缘41之间连有能弹性形变的第四导向单元104；定台体2与第四边缘41之间分别连有能弹性形变的第五导向单元105和第六导向单元106；第一导向单元101内设有能向动台体4方向伸缩的第一驱动单元51，第二导向单元102内设有能向动台体4方向伸缩的第二驱动单元52，第三导向单元103内设有能向动台体4方向伸缩的第三驱动单元53。第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105和第六导向单元106分别呈框状，各自构成单平行四连杆机构，而对向设置的柔性导向件7则构成双平行四连杆机构，在压电执行器85受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第五刚性块71沿一个方向输出特定的位移，而不会产生寄生位移，最终使动台体4沿一个方向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。设垂直于动台面1为z轴，第二驱动单元52到第三驱动单元53为x轴，以及垂直于x轴和z轴的为y轴，

实施例中，如图2、3、4、5、6所示，第四导向单元104内设有朝向第三边缘43的第一传感器组件61，第五导向单元105内设有朝向第四边缘44的第二传感器组件62，第六导向单元106内设有朝向第四边缘44的第三传感器组件63。

实施例中，如图2和图5所示，第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105和第六导向单元106这六个导向单元的结构相同，包括连于动台体4的第五刚性块71，呈半框状罩设在第五刚性块71外侧的框体73，连于框体73末端和第五刚性块71之间的第一柔性薄板72，在框体73上沿着第一柔性薄板72长度方向横向突出的第一凸部74，连于第一凸部74且垂直于第一柔性薄板72的第二柔性薄板75，设于定台体2且连于第二柔性薄板75另一端的第二凸部76，第二凸部76位于第一凸部74和动台体4之间；每个导向单元中的一对第二柔性薄板75、框体73同定台体2构成单平行四连杆机构，进而相对的两个导向单元通过各自的一对第二柔性薄板75、框体73同定台体2构成双平行四连杆机构，在给第一驱动单元51施加电压以及在给第二驱动单元52和第三驱动单元53同时施加相同的电压时，动台体4和动台面1沿x向和y向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

第一驱动单元51、第二驱动单元52和第三驱动单元53这三个驱动单元的结构相同，包括设于框体73内的桥式放大机构8以及设于桥式放大机构8内的压电执行器85，压电执行器85平行于第一柔性薄板72；桥式放大机构8包括分设于压电执行器85两端的第一刚性块81和第三刚性块83，间隙设于压电执行器85的两侧的第二刚性块82和第四刚性块84；顺次连接第一刚性块81、第二刚性块82、第三刚性块83和第四刚性块84的第三柔性薄板86；第三柔性薄板86的一端与压电执行器85中段之间的距离小于第三柔性薄板86的另一端与压电执行器85端部之间的距离；当压电执行器85通电压伸长时，压电执行器85推动第一刚性块81和第三刚性块83彼此远离，第三柔性薄板86被第一刚性块81和第三刚性块83拉直，继而第二刚性块82和第四刚性块84彼此远离，最终由第四刚性块84通过第五刚性块71推动动台体4移动；由第三柔性薄板86、第一刚性块81、第二刚性块82、第三刚性块83和第四刚性块84所构成的桥式放大机构8能将压电执行器85的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台体4及动台面1的位移行程。

如图11所示，第二刚性块82螺固于框体73，第四刚性块84螺固于第五刚性块71；第一传感器组件61、第二传感器组件62和第三传感器组件63的结构相同，包括螺固于框体73的基座95，以及固设于基座95且正对第五刚性块71的传感器探头94。当压电执行器85通电时，压电执行器85会变长，第一刚性块81和第三刚性块83彼此被顶开，同时第三柔性薄板86也会从倾斜状态拉直，从而使第二刚性块82和第四刚性块84彼此远离，最终第四刚性块84推动刚性部，最终推动动台体4移动。当压电执行器85断电时，压电执行器85、第一刚性块81、第二刚性块82、第三刚性块83、第四刚性块84和第三柔性薄板86复位。

实施例中，如图8和图14所示，基座95包括螺固于框体73的第一板体91，平行于第一板体91且用于固连传感器探头94的第二板体93，第一板体91和第二板体93之间连有一对柔性折叠梁92，第一板体91的中央设有第一螺纹孔911，第一螺纹孔911内旋设有末端顶于第二板体93的调节螺钉912。旋拧调节螺钉912，通过柔性折叠梁92的弹性变形能调节第二板体93与第一板体91之间的距离，从而调节传感器探头94与第五刚性块71之间的距离。实施例中，如图12所示，定台体2和框体73设有连通第一螺纹孔911的第一通孔913，第一通孔913的直径大于调节螺钉912的直径。调整螺钉时无需拆下基座95，螺丝刀探入第一通孔913就能调整调节螺钉912。

实施例中，如图10所示，定台体2设有间隙容纳动台体4的第一容纳槽21，位于第一容纳槽21边缘用于容纳框体73的第二容纳槽22，框体73和第二柔性薄板75间隙设于第二容纳槽22内；第二容纳槽22容纳了第一驱动单元51、第二驱动单元52、第三驱动单元53、第一传感器组件61、第二传感器组件62和第三传感器组件63，第一容纳槽21容纳了动台体4，从而使本发明产品的整体厚度比动台体4叠加在定台体2之上的要薄。

实施例中，如图6和图11所示，动台体4为矩形框形状，动台体4设有正对第四刚性块84的第一沉孔401，第一沉孔401内设有旋置于第四刚性块84的第二螺钉402，框体73设有正对第二刚性块82的第二沉孔731，第二沉孔731内设有旋置于第二刚性块82的第三螺钉202；定台体2设有方便第三螺钉202置入的第二通孔201。

实施例中，如图1所示，动台体4与动台面1垂直设有中空孔12。中空孔12不仅能减小动台体6及动台面3的质量，而且当平台用作光学系统的调节机构是，还能当作通光孔径。

实施例中，动台体4高出定台体2、第一驱动单元51、第二驱动单元52和第三驱动单元53的上表面，从而避免了动台面1与第一驱动单元51、第二驱动单元52和第三驱动单元53的接触和摩擦。桥式放大机构8包括顺次连接于第一刚性块81、第二刚性块82、第三刚性块83和第四刚性块84的第四柔性薄板87，第四柔性薄板87平行间隙设于第三柔性薄板86与压电执行器85之间。第三柔性薄板86和第四柔性薄板87的组合还能增强第四刚性块84的复位能力。桥式放大机构8中一对平行设置的第三柔性薄板86、第四柔性薄板87同第二刚性块82、第一刚性块81构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性块82另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板86、第四柔性薄板87同第二刚性块82、第三刚性块83也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性块84两侧的第三柔性薄板86、第四柔性薄板87同第四刚性块84、第一刚性块81、第三刚性块83也构成双平行四连杆机构，在压电执行器85受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使驱动单元通过第四刚性块84输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

实施例中，如图2所示，定台体2的底部设有与定台体2的外轮廓和中空孔12的内轮廓相匹配的底板3，底板3与定台体2之间螺固有第四螺钉31；底板3同动台体6之间设有间隙，避免摩擦接触；底板3能防止垃圾从设备下方进入平台的内部。

桥式放大机构8为一体成型结构；定台体2、第五刚性块71、第一柔性薄板72、框体73、第一凸部74、第二柔性薄板75、第二凸部76和动台体4为一体成型结构。

设垂直于动台面1为z轴，第二驱动单元52到第三驱动单元53为x轴，以及垂直于x轴和z轴的为y轴，则平台实现两平动一转动的过程如下：

若只给第一驱动单元51的压电执行器85施加电压，则第一驱动单元51会推动动台体4沿x向移动，动台面1便沿x向输出严格的直线微位移，而不在y向产生耦合位移；

若只给第二驱动单元52和第三驱动单元53同时施加相同的电压，则第二驱动单元52和第三驱动单元53推动动台体4沿y轴移动，动台面1便沿y向输出严格的直线微位移，而不在x向产生耦合位移；

若只给第一驱动单元51或第二驱动单元52施加电压，则第一驱动单元51或第二驱动单元52会推动动台体4绕z轴转动，动台面1便绕z向转动。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。