两平动一转动大行程无耦合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。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是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、固有频率高的两平动一转动大行程无耦合并联压电微动平台。

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，定台体的中间设有第一容纳槽，第一容纳槽间隙设有动台体，动台体和动台面之间螺固有第一螺钉；动台体包括互相垂直的第一边缘和第二边缘，第一边缘设有第一传导部和第二传导部，第二边缘设有第三传导部；

第一传导部、第二传导部和第三传导部这三个传导部的结构相同，对应设于动台体边缘的第二容纳槽内，包括分别朝向动台体且间隙设于第二容纳槽内的刚性部和第一柔性薄板，设于刚性部上且连于第一柔性薄板另一端的第一凸部，设于动台体上且连于第一柔性薄板另一端的第二凸部，还包括垂直连于刚性部的第二柔性薄板，第二柔性薄板的另一端连于定台体；每个传导部中的一对第一柔性薄板、刚性部同动台体构成单平行四连杆机构，进而相对的两个传导部通过各自的一对第一柔性薄板、刚性部同动台体构成双平行四连杆机构，在给第三驱动单元施加电压以及在给第一驱动单元和第二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。

定台体在位于第一容纳槽的边缘设有间隙容纳第二柔性薄板的第三容纳槽；第一传导部、第二传导部和第三传导部的各自刚性部的远离动台体的一端分别设有第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元；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使动台体及动台面在水平面实现两平动一转动。设垂直于动台面为z轴，第一驱动单元到第二驱动单元为y轴，同时垂直于z轴和y轴的为x轴。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

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二柔性薄板；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两侧的第二刚性块和第四刚性块，第二刚性块螺固设于定台体，第四刚性块螺固设于刚性部；以及顺次连于第一刚性块、第二刚性块、第三刚性块和第四刚性块之间的第三柔性薄板，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；当压电执行器通电时，压电执行器会变伸长时，第一刚性块和第三刚性块彼此被顶开，同时第三柔性薄板也会从倾斜状态拉直，从而使第二刚性块和第四刚性块彼此远离，第二刚性块202和第四刚性块彼此远离的长度是压电执行器伸长长度的数倍甚至能达10倍，从而实现位移放大效果，最终第四刚性块推动刚性部，当压电执行器断电时，压电执行器、第一刚性块、第二刚性块、第三刚性块、第四刚性块和第三柔性薄板复位。

上述的动台体还包括与第一边缘相平行的第三边缘，以及与第二边缘相平行的第四边缘；第三边缘设有与第一传导部和第二传导部镜像设置的第四传导部和第五传导部；第四边缘设有与第三传导部镜像设置的第六传导部。

上述的第一传导部的第二容纳槽、刚性部和第二柔性薄板的数目分别为2个，相邻的刚性部位于第三容纳槽的一端且彼此一体成型。

上述的定台体设有三个分别容纳第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的第四容纳槽，且第四容纳槽连通于第三容纳槽；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。

上述的定台体的外轮廓为矩形，动台体与动台面垂直设有中空孔。

上述的动台体在位于中空孔的边缘设有用于螺固第一螺钉的凸台。

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二螺钉。

当第一传导部至第六传导部各自的第二容纳槽的数目为1个时，刚性部的数目为1个，第一凸部、第二凸部和第一柔性薄板的数目分别为2个且分设于刚性部的两侧；当第四传导部至第六传导部各自的第二容纳槽的数目为2个时，刚性部的数目为2个，第一凸部、第二凸部和第一柔性薄板的数目分别为2个，且设于相邻的两个刚性部之间，相邻的两个刚性部在位于所述的第三容纳槽内的一端呈一体成型结构。

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所组成的桥式放大机构为一体成型结构；所述的定台体、第二柔性薄板、刚性部、第一凸部、第一柔性薄板、第二凸部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，定台体的中间设有第一容纳槽，第一容纳槽间隙设有螺固于动台面的动台体；动台体还设有第一传导部、第二传导部和第三传导部；定台体在位于第一容纳槽的边缘设有间隙容纳第二柔性薄板的第三容纳槽；第一传导部、第二传导部和第三传导部的各自刚性部的顶端分别设有第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元；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使动台体及动台面在水平面上实现两平动一转动。与现有的两平动一转动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)每个传导部中的一对第一柔性薄板、刚性部同动台体构成单平行四连杆机构，进而相对的两个传导部通过各自的一对第一柔性薄板、刚性部同动台体构成双平行四连杆机构，在给第三驱动单元施加电压以及在给第一驱动单元和第二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)平台的运动部分仅有动台体及动台面，运动部分的质量大大减小，能大大提高平台的固有频率。

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中定台体和动台体一体成型后同驱动单元配装后的结构示意图；

图4是图3的全剖结构示意图；

图5是图3的分解示意图；

图6是本发明第一驱动单元的结构示意图；

图7是图6的全剖结构示意图；

图8是图5中定台体和动台体的分解示意图；

图9是图5中a部的放大结构示意图；

图10是实施例2中第四传导部至第六传导部中的刚性部和动台体连接后的结构示意图；

图11是实施例3中第四传导部至第六传导部中的刚性部和动台体连接后的结构示意图。

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11为本发明的结构示意图，其中的附图标记为：定台体1、第一容纳槽11、第三容纳槽12、第四容纳槽13、中空孔14、桥式放大机构2、第一刚性块201、第二刚性块202、第三刚性块203、第四刚性块204、第三柔性薄板205、第四柔性薄板206、压电执行器207、第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23、动台面3、底板4、第一螺钉51、第二螺钉52、动台体6、第一边缘61、第二边缘62、第三边缘63、第四边缘64、凸台65、第二容纳槽701、第二凸部702、刚性部703、第一凸部704、第一柔性薄板705、第二柔性薄板706、第一传导部71、第二传导部72、第三传导部73、第四传导部74、第五传导部75、第六传导部76。

图1至图11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并联压电微动平台，包括用作承载物体的动台面3，动台面3的下方间隙设有定台体1，定台体1的中间设有第一容纳槽11，第一容纳槽11间隙设有动台体6，动台体6和动台面3之间螺固有第一螺钉51；如图3和图8所示，动台体6包括互相垂直的第一边缘61和第二边缘62，第一边缘61设有第一传导部71和第二传导部72，第二边缘62设有第三传导部73；

第一传导部71、第二传导部72和第三传导部73这三个传导部的结构相同，对应设于动台体6边缘的第二容纳槽701内，包括分别朝向动台体6且间隙设于第二容纳槽701内的刚性部703和第一柔性薄板705，设于刚性部703上且连于第一柔性薄板705一端的第一凸部704，设于动台体6上且连于第一柔性薄板705另一端的第二凸部702，还包括垂直连于刚性部703的第二柔性薄板706，第二柔性薄板706的另一端连于定台体1；第二柔性薄板706在第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23输出位移时发生弹性形变，使第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23的输出位移传递给动台体6。每个传导部中的一对第一柔性薄板705、刚性部703同动台体6构成单平行四连杆机构，进而相对的两个传导部通过各自的一对第一柔性薄板705、刚性部703同动台6体构成双平行四连杆机构，在给第三驱动单元23施加电压以及在给第一驱动单元21和第二驱动单元22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。

定台体1在位于第一容纳槽11的边缘设有间隙容纳第二柔性薄板706的第三容纳槽12；第一传导部71、第二传导部72和第三传导部73的各自刚性部703远离动台体6的一端分别设有第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23。

通过对第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23的驱动使动台体及动台面在水平面实现两平动及一转动。设垂直于动台面3为z轴，第一驱动单元21到第二驱动单元22为y轴，同时垂直于z轴和y轴的为x轴。实施例中，如图3、4、5所示，第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23的这三个驱动单元的结构相同，如图5、6、7所示，包括桥式放大机构2，以及设于桥式放大机构2内的压电执行器207，压电执行器207平行于第二柔性薄板706；桥式放大机构2包括分设于压电执行器207两端的第一刚性块201和第三刚性块203，间隙设于压电执行器207两侧的第二刚性块202和第四刚性块204；第二刚性块202螺固设于定台体1，第四刚性块204螺固设于刚性部703，以及顺次连于第一刚性块201、第二刚性块202、第三刚性块203和第四刚性块204之间的第三柔性薄板205，第三柔性薄板205的一端与压电执行器207中段之间的距离小于第三柔性薄板205的另一端与压电执行器207端部之间的距离。当压电执行器207通电伸长时，第一刚性块201和第三刚性块203彼此被顶开，同时第三柔性薄板205也会从倾斜状态拉直，从而使第二刚性块202和第四刚性块204彼此远离，第二刚性块202和第四刚性块204彼此远离的长度是压电执行器207伸长长度的数倍甚至能达10倍，从而实现位移放大效果，最终第四刚性块204推动刚性部703，当压电执行器207断电时，压电执行器207、第一刚性块201、第二刚性块202、第三刚性块203、第四刚性块204和第三柔性薄板205复位。

实施例中，如图3和图8所示，动台体6还包括与第一边缘61相平行的第三边缘63，以及与第二边缘62相平行的第四边缘64；第三边缘63设有与第一传导部71和第二传导部72镜像设置的第四传导部74和第五传导部75；第四边缘64设有与第三传导部73镜像设置的第六传导部76。设定垂直于动台面3为z轴，第一驱动单元21到第二驱动单元22为y轴，与所述的y轴和z轴垂直的为x轴，第四传导部74、第五传导部75和第六传导部76中各自的第一柔性薄板705分别同第二传导部72、第一传导部71和第三传导部73中各自的第一柔性薄板705、刚性部703和动台体6构成双平行四边形四连杆机构，从而使动台体6在给第三驱动单元23施加电压以及在给第一驱动单元21和第二驱动单元22同时施加相同电压时，沿x向和y向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

实施例中，如图9和图10所示，第一传导部71的第二容纳槽701、刚性部703和第二柔性薄板706的数目分别为2个，相邻的刚性部703位于第三容纳槽12的一端且彼此一体成型。

实施例中，如图5和图8所示，定台体1设有三个分别容纳第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23的第四容纳槽13，且第四容纳槽13连通于第三容纳槽12；桥式放大机构2还包括顺次连接第一刚性块201、第二刚性块202、第三刚性块203和第四刚性块204的第四柔性薄板206，第四柔性薄板206平行间隙设于第三柔性薄板205与压电执行器207之间，第三柔性薄板205和第四柔性薄板206的平行设置能使第四刚性块204产生严格的平动位移，而不会产生寄生位移，具体的，桥式放大机构2中一对平行设置的第三柔性薄板205、第四柔性薄板206同第二刚性块202、第一刚性块201构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性块202另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板205、第四柔性薄板206同第二刚性块202、第三刚性块203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204两侧的第三柔性薄板205、第四柔性薄板206同第四刚性块204、第一刚性块201、第三刚性块203也构成双平行四连杆机构，在压电执行器207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204输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。第四容纳槽13能使第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23置于动台体6中，进一步避免了第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23与定台体1叠加所形成的厚度，从而使微动平台整体更加轻薄。

实施例中，如图1所示，定台体1的外轮廓为矩形，动台体6与动台面3垂直设有中空孔14，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，如图3、5和图8所示，动台体6在位于中空孔14的边缘设有用于螺固第一螺钉51的凸台65。凸台65能抬升动台面3，避免动台面3与第一驱动单元21、第二驱动单元22和第三驱动单元23的摩擦接触。

实施例中，如图2所示，定台体1的底部设有与定台体1的外轮廓和中空孔14的内轮廓相匹配的底板4，底板4与定台体1之间螺固有第二螺钉52；底板4同动台体6之间设有间隙，避免摩擦接触；底板4能防止灰尘从定台体1的下方进入平台的内部。

实施例1的第一传导部71至第六传导部76各自的第二容纳槽701的数目为2个，刚性部703的数目为2个，第一凸部704、第二凸部702和第一柔性薄板705的数目分别为2个且设于相邻的两个刚性部703之间，相邻的两个刚性部703在位于所述的第三容纳槽12内的一端呈一体成型结构，相邻的刚性部703之间设有方便将螺钉拧入第四刚性块204的镂空槽，如图9所示。

实施例2与实施例1的区别在于，实施例2的第四传导部74至第六传导部76没有镂空槽，如图10所示。

实施例3与实施例1的区别在于，实施例3的第四传导部74至第六传导部76各自的第二容纳槽701的数目为1个，刚性部703的数目为1个，第一凸部704、第二凸部702和第一柔性薄板705的数目分别为2个且分设于刚性部703的两侧，如图11所示。

第一刚性块201、第二刚性块202、第三刚性块203、第四刚性块204、第三柔性薄板205和第四柔性薄板206所组成的桥式放大机构2为一体成型结构；定台体11、第二柔性薄板706、刚性部703、第一凸部704、第一柔性薄板705、第二凸部702和动台体6为一体成型结构。设垂直于动台面3为z轴，第一驱动单元21到第二驱动单元22为y轴，同时垂直于z轴和y轴的为x轴，则平台实现两平动一转动的过程如下：

若仅给第一驱动单元21与第二驱动单元22的压电执行器207同时施加相同的电压，则第一驱动单元21与第二驱动单元22分别推动第一传导部71和第二传导部72，继而推动动台体6沿着x向移动，动台面3便沿着x向输出严格的直线微位移，而不在y向产生耦合位移。

若仅给第三驱动单元23的压电执行器207施加电压，则第三驱动单元23推动第三传导部73，继而推动动台体6沿着y向移动，动台面3便沿着y向输出严格的直线微位移，而不在x向产生耦合位移。

若仅给第一驱动单元21的压电执行器207施加电压，则第一驱动单元21推动第一传导部71或第二驱动单元22推动第二传导部72，继而推动动台体6绕着z轴转动，动台面3绕着z轴转动。

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。