專利名稱：可回授控制的微定位平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用應(yīng)變規(guī)傳感器量測平臺連結(jié)機(jī)構(gòu)的變形量，并將量測所得的訊號回授至控制器，并運(yùn)算修正致動器的動作，進(jìn)而以低成本的方式，大幅提高平臺定位精準(zhǔn)度的可回授控制的微定位平臺。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)機(jī)械式的進(jìn)給系統(tǒng)多半采用導(dǎo)螺桿、齒輪、皮帶、軸承及滑軌等機(jī)械零件，此類型機(jī)械零件會因為組件公差或裝配誤差造成定位精度受到限制，并且也因為組件間的摩擦接觸造成平臺穩(wěn)定性差；因此如果要將傳統(tǒng)機(jī)械式的進(jìn)給系統(tǒng)提升至納米等級的精度，其裝配及組件加工精度的要求就很重要，并且也需有適當(dāng)潤滑減少摩擦，如此一來，這些技術(shù)瓶頸將會使得超精密定位系統(tǒng)的價格居高不下。
為了突破傳統(tǒng)定位系統(tǒng)設(shè)計上的困難，現(xiàn)在較常使用的技術(shù)即是采用撓性結(jié)構(gòu)(Flexure Structure)，其是于基座內(nèi)以撓性結(jié)構(gòu)連結(jié)平臺，再以壓電致動器做為平臺的驅(qū)動源，利用致動器的材料變形，達(dá)到定位的精度，而撓性結(jié)構(gòu)則取代原先機(jī)械式的旋轉(zhuǎn)對(Revolute Pair)、滑行對(Prismatic Pair)和球面對(Spherical Pair)，如此一來，將可避免機(jī)械零件裝配誤差、組件接觸面摩擦、黏滯損耗和溫升，以及剛性差等缺點，并且在平臺微小化的發(fā)展時，也可以避免微小零件加工的困難。
該種壓電式平臺，雖在納米檢測與納米制造上已應(yīng)用的相當(dāng)廣泛，但因壓電致動器本身具有潛變以及遲滯的非線性效應(yīng)(如圖1所示，壓電致動器的動作曲線圖)，而影響壓電式平臺的定位性能，而此非線性的現(xiàn)象必須依賴回授控制得以消除；此外，撓性定位平臺雖然具有無間隙與無裝配誤差的特性，但平臺會有不同軸向間干涉的誤差，此誤差亦可藉由回授控制加以消除。
美國專利US6,555,829即為具有回授控制的定位平臺，其專利為一組二垂直軸向驅(qū)動的撓性平臺，所使用的驅(qū)動器為雙壓電致動器(BimorphPiezoelectric Actuator)，并且使用撓性平板彈簧來導(dǎo)引平臺的行進(jìn)方向；請參閱圖2所示，其中，10與20為上述的雙壓電致動器，11～14及21～24為所定義的撓性平板彈簧，當(dāng)致動器動作并使平臺位移后，分別以位置感測裝置15、25來量測平臺的位置，并將量測所的的訊號回授至控制器30，再由控制器30控制致動器10、20的動作，以達(dá)到精準(zhǔn)的定位；該專利的回授系藉由位置傳感器來達(dá)成，而位置傳感器的精度會直接影響平臺的定位精度，目前常用的位置傳感器為電容式位移傳感器或雷射干涉儀，位置傳感器的組裝精度要求極高，以電容式位移傳感器為例，傳感器與待測體的間距為數(shù)微米至數(shù)百微米的內(nèi)，平行度必須在某個范圍內(nèi)，此裝配必須依賴經(jīng)驗與儀器加以校正，且其電路設(shè)計復(fù)雜造價高，而雷射干涉儀的體積龐大又造價更為昂貴，以致使壓電平臺的閉回路系統(tǒng)設(shè)計不易，而無法有效降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可回授控制的微定位平臺，以數(shù)組由平板彈簧所制成的鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)架置動作平臺，于動作平臺的各軸向位置分別裝設(shè)致動器，例如壓電致動器，并于連結(jié)機(jī)構(gòu)上裝設(shè)可量測應(yīng)變量的應(yīng)變規(guī)傳感器，于壓電致動器動作并使平臺位移時，平臺將抵壓連結(jié)機(jī)構(gòu)并使其產(chǎn)生變形，應(yīng)變規(guī)傳感器即可量測該連結(jié)機(jī)構(gòu)的變形量，并將量測所得的訊號回授至控制器，經(jīng)由控制器的運(yùn)算，再修正控制致動器的動作，以使動作平臺準(zhǔn)確定位；藉此，利用應(yīng)變規(guī)傳感器的訊號換算為位移訊號，即可有效降低設(shè)備的成本，且達(dá)到精確定位的回授控制效果。
本發(fā)明的另一目的是提供一種可回授控制的微定位平臺，于一主動作平臺內(nèi)以數(shù)組由平板彈簧所制成的鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)架置一次動作平臺，于主動作平臺及次動作平臺的不同軸向位置上分別裝設(shè)致動器，并于各平臺的連結(jié)機(jī)構(gòu)上裝設(shè)可量測應(yīng)變量的應(yīng)變規(guī)傳感器；藉此，可分別將不同軸向的應(yīng)變規(guī)傳感器量測所得的訊號回授至控制器，經(jīng)由控制器的運(yùn)算比對，再分別修正控制各致動器的動作，而各平臺不同軸向設(shè)置的致動器，可于動作時降低各軸向間的干涉，進(jìn)而達(dá)到精確定位的回授控制效果，亦可達(dá)到多軸定位的效果。
本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的，一種可回授控制的微定位平臺，包括一基座；至少一動作平臺，設(shè)于基座內(nèi)；數(shù)個組連結(jié)機(jī)構(gòu)，連結(jié)架設(shè)動作平臺；至少一致動器，連結(jié)于動作平臺，并使動作平臺軸向位移；應(yīng)變規(guī)傳感器，設(shè)于連結(jié)機(jī)構(gòu)上，以量測連結(jié)機(jī)構(gòu)的變形量。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1是壓電致動器的動作曲線圖；圖2是美國專利US6,555,829的架構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的架構(gòu)示意圖；圖4是圖3A部放大圖；圖5是圖3B部放大圖；圖6是圖3C部放大圖；圖7是本發(fā)明動作平臺于第一軸向的位移與應(yīng)變量的關(guān)系曲線圖；圖8是本發(fā)明動作平臺于第一軸向的位移與應(yīng)變量的關(guān)系曲線圖；圖9是本發(fā)明回授控制的示意圖；圖10是本發(fā)明致動器經(jīng)回授控制后的動作曲線圖；圖11是本發(fā)明的另一架構(gòu)示意圖；圖12是圖11D部放大圖；圖13是圖11E部放大圖。
附圖標(biāo)記說明10壓電致動器；11撓性平板彈簧；12撓性平板彈簧；13撓性平板彈簧；14撓性平板彈簧；15位置感測裝置；20壓電致動器；21撓性平板彈簧；22撓性平板彈簧；23撓性平板彈簧；24撓性平板彈簧；25位置感測裝置；30控制器；40基座；41動作平臺；42溝槽；43連結(jié)機(jī)構(gòu)；431平板彈簧；44致動器；441撓性鉸煉對；45致動器；451撓性鉸煉對；46連結(jié)機(jī)構(gòu)；461平板彈簧；47致動器；471撓性鉸煉對；48致動器；481撓性鉸煉對；49連結(jié)機(jī)構(gòu)；491平板彈簧；50應(yīng)變規(guī)傳感器；51應(yīng)變規(guī)傳感器；52控制器；60基座；61主動作平臺；62連結(jié)機(jī)構(gòu)；621平板彈簧；63致動器；64次動作平臺；65連結(jié)機(jī)構(gòu)；651平板彈簧；66致動器；67應(yīng)變規(guī)傳感器；68應(yīng)變規(guī)傳感器。
具體實施例方式
請參閱圖3，本發(fā)明的基座40與動作平臺41可于一基板上以線切割或放電加工方式加工出貫穿的溝槽42，而于基座40內(nèi)中空位置設(shè)有動作平臺41，動作平臺41的各邊角分別以連結(jié)機(jī)構(gòu)43架置于基座40內(nèi)，其中該連結(jié)機(jī)構(gòu)43可為鉸練式撓性機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)對(Revolute Pair)、滑行對(Prismatic Pair)或球面對(Spherical Pair)，于基座40與動作平臺41間的第一軸向位置(例如X軸向)，設(shè)有由撓性鉸煉對441、451連結(jié)的致動器44、45，其中該致動器44、45可為壓電材料、線性馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并于致動器44、45的相對側(cè)適當(dāng)位置設(shè)有另一鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)46，另于基座40與動作平臺41間的第二軸向位置(例如Y軸向)，則設(shè)有由鉸煉對471、481連結(jié)的致動器47、48，其中該致動器47、48可為壓電材料、線性馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并于致動器47、48的相對側(cè)適當(dāng)位置設(shè)有另一鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)49；請參閱圖4，動作平臺41其中一邊角的鉸煉式連結(jié)機(jī)構(gòu)43，是由呈雙L形的平板彈簧431所制成的鉸煉式的機(jī)構(gòu)；請參閱圖3、圖5，致動器44、45相對側(cè)的鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)46，是由另一種型態(tài)的雙L形平板彈簧461所制成的鉸煉式的可撓性機(jī)構(gòu)，于致動器44、45動作時，動作平臺41可于基座內(nèi)作第一軸向的位移，并抵壓連結(jié)機(jī)構(gòu)46，而使平板彈簧461變形，本發(fā)明于平板彈簧461的一側(cè)裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器50，例如電阻式應(yīng)變規(guī)，以量測平板彈簧461的變形量；請參閱圖3、圖6，相同的，致動器47、48相對側(cè)的鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)49，亦是由另一種型態(tài)的雙L形平板彈簧491所制成的鉸煉式的可撓性機(jī)構(gòu)，于致動器47、48動作時，動作平臺41可于基座內(nèi)作第二軸向的位移，并抵壓連結(jié)機(jī)構(gòu)49，而使平板彈簧491變形，本發(fā)明于平板彈簧491的一側(cè)裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器51，以量測平板彈簧491的變形量。
由于應(yīng)變規(guī)傳感器已應(yīng)用在許多試驗及量測上，其能量測大部份固態(tài)物質(zhì)的伸長或壓縮的物理現(xiàn)象，因此在測試體上貼上應(yīng)變規(guī)傳感器即可測其應(yīng)變，當(dāng)測試體有應(yīng)變時，應(yīng)變量會傳給應(yīng)變規(guī)傳感器，而改變其電氣特性。請參閱圖7，本發(fā)明于第一軸向的平板彈簧一側(cè)裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器，經(jīng)由實驗驗證后，可以測得動作平臺于第一軸向位移時，其與應(yīng)變規(guī)傳感器輸出訊號的關(guān)系曲線為線性關(guān)系。請參閱圖8，相同的，本發(fā)明于第二軸向(Y軸向)的平板彈簧一側(cè)裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器，經(jīng)由實驗亦可測得動作平臺于第二軸向位移時，其與應(yīng)變規(guī)傳感器輸出訊號的關(guān)系曲線為線性關(guān)系，因此量測應(yīng)變規(guī)傳感器的訊號即可對應(yīng)至動作平臺的位移情形。
請參閱圖5、圖6、圖9，本發(fā)明利用量測應(yīng)變規(guī)傳感器50、51的電壓訊號變化，可利用惠斯同電橋放大，將訊號回授至控制器52，經(jīng)由控制器52的運(yùn)算，即可控制驅(qū)動器修正致動器的控制訊號，以使動作平臺的位移達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。本發(fā)明于初始校正階段時，可先利用高精度的雷射干涉儀比對應(yīng)變規(guī)傳感器的訊號，并根據(jù)比對的結(jié)果計算出控制器的轉(zhuǎn)換運(yùn)算方式，而在動作平臺實際運(yùn)作時，即可不需再使用到昂貴的雷射干涉儀作為位置的傳感器，而直接利用應(yīng)變規(guī)傳感器的訊號換算為位移訊號，且不失其精確性，從而實現(xiàn)精確回授控制的效果。
請參閱圖10，本發(fā)明利用量測應(yīng)變規(guī)傳感器的訊號作為動作平臺回授控制的訊號源，經(jīng)控制器運(yùn)算并修正致動器的控制訊號后，動作平臺于位移時，即可具有準(zhǔn)確的線性度，并于位移至定點后可保持定位在定點上，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。
請參閱圖11，本發(fā)明為了降低各軸向間的干涉，而于一基座60內(nèi)設(shè)有一主動作平臺61，主動作平臺61的各邊角分別以鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)62架置于基座60內(nèi)，其中該連結(jié)機(jī)構(gòu)62至少一組須為鉸練式撓性機(jī)構(gòu)，其余的連結(jié)機(jī)構(gòu)可為旋轉(zhuǎn)對(Revolute Pair)、滑行對(Prismatic Pair)或球面對(SphericalPair)，于基座60與主動作平臺61間的第一軸向位置設(shè)有致動器63，另于主動作平臺61內(nèi)設(shè)有一次動作平臺64，次動作平臺64的各邊角分別以鉸煉式的連結(jié)機(jī)構(gòu)65架置于主動作平臺61內(nèi)，其中該連結(jié)機(jī)構(gòu)65至少一組須為鉸練式撓性機(jī)構(gòu)，其余的連結(jié)機(jī)構(gòu)可為旋轉(zhuǎn)對(Revolute Pair)、滑行對(PrismaticPair)或球面對(Spherical Pair)，于主動作平臺61與次動作平臺64間的第二軸向位置設(shè)有致動器66；請參閱圖12，主動作平臺61至少一邊角的鉸煉式連結(jié)機(jī)構(gòu)62，是由概呈Z形的平板彈簧621所構(gòu)成的鉸煉式的撓性機(jī)構(gòu)，并于平板彈簧621的一側(cè)裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器67，以量測平板彈簧621的變形量；請參閱圖13，相同的，次動作平臺64至少一邊角的鉸煉式連結(jié)機(jī)構(gòu)65，亦是由概呈Z形的平板彈簧651所構(gòu)成的鉸煉式的撓性機(jī)構(gòu)，并于平板彈簧651的一側(cè)裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器68，以量測平板彈簧651的變形量。
請再參閱圖11、圖12、圖13，當(dāng)?shù)谝惠S向位置的致動器63動作時，主動作平臺61將同時帶動次動作平臺64作第一軸向的位移，并抵壓連結(jié)機(jī)構(gòu)62，而使平板彈簧621變形，利用量測應(yīng)變規(guī)傳感器67的電壓訊號，并將訊號回授至控制器，經(jīng)由控制器的運(yùn)算，即可控制修正致動器63的控制訊號，以使得主動作平臺61于第一軸向的位移可準(zhǔn)確定位；同理，當(dāng)?shù)诙S向位置的致動器66動作時，主要由次動作平臺64作第二軸向的位移，并抵壓連結(jié)機(jī)構(gòu)65，而使平板彈簧651變形，利用量測應(yīng)變規(guī)傳感器68的電壓訊號，并將訊號回授至控制器，經(jīng)由控制器的運(yùn)算，即可控制修正致動器66的控制訊號，以使得次動作平臺64于第二軸向的位移可準(zhǔn)確定位，因此，利用主動作平臺及次動作平臺的逐層式平臺架構(gòu)，即可降低各軸向間的干涉。此外，逐層式的平臺架構(gòu)，不僅可作兩組的平臺設(shè)計，亦可作兩組以上的平臺架構(gòu)，且致動器亦可作更多軸向的分布架設(shè)，以使平臺作更多軸向的位移，相同的也都可以利用回授控制，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。
權(quán)利要求
1.一種可回授控制的微定位平臺，包括一基座；至少一動作平臺，設(shè)于基座內(nèi)；數(shù)個組連結(jié)機(jī)構(gòu)，連結(jié)架設(shè)動作平臺；至少一致動器，連結(jié)于動作平臺，并使動作平臺軸向位移；應(yīng)變規(guī)傳感器，設(shè)于連結(jié)機(jī)構(gòu)上，以量測連結(jié)機(jī)構(gòu)的變形量。
2.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該應(yīng)變規(guī)傳感器的輸出訊號送入控制器，經(jīng)控制器運(yùn)算后，輸出控制訊號至致動器，以修正致動器的動作訊號。
3.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該動作平臺為一個可作多軸向位移的平臺。
4.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該動作平臺為一組逐層式的平臺架構(gòu)，各層的動作平臺分別作單一軸向或多軸向的位移。
5.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該連結(jié)機(jī)構(gòu)至少一組為撓性機(jī)構(gòu)，其余連結(jié)機(jī)構(gòu)可為撓性機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)對、滑行對或球面對。
6.依權(quán)利要求5所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該撓性機(jī)構(gòu)的連結(jié)機(jī)構(gòu)是由平板彈簧所構(gòu)成的撓性機(jī)構(gòu)。
7.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該致動器為壓電材料、線性馬達(dá)或旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。
8.依權(quán)利要求7所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該壓電材料的致動器以撓性鉸煉對連結(jié)動作平臺。
9.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該致動器沿動作平臺的位移方向，作一個或一個以上軸向方向的分布配置，以使動作平臺作一個或一個以上軸向的位移。
10.依權(quán)利要求1所述的可回授控制的微定位平臺，其中，該應(yīng)變規(guī)傳感器設(shè)于致動器相對側(cè)的連結(jié)機(jī)構(gòu)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可回授控制的微定位平臺，于中空狀的基座內(nèi)以數(shù)組連結(jié)機(jī)構(gòu)架置一動作平臺，該連結(jié)機(jī)構(gòu)是由平板彈簧所制成的鉸煉式的機(jī)構(gòu)，于基座與動作平臺間的各軸向位置裝設(shè)致動器，使得致動器于動作時，動作平臺可于基座內(nèi)作各軸向微幅的位移，并抵壓連結(jié)機(jī)構(gòu)作變形，另于連結(jié)機(jī)構(gòu)上裝設(shè)應(yīng)變規(guī)傳感器，以感測連結(jié)機(jī)構(gòu)的彈性變形量，應(yīng)變規(guī)傳感器并將電子訊號回授至控制器，經(jīng)由控制器的運(yùn)算修正控制訊號，驅(qū)使致動器準(zhǔn)確動作，以使動作平臺的位移準(zhǔn)確定位。
文檔編號G01B9/02GK1786860SQ20041009850
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者朱怡銘, 王維漢, 吳兆棋 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院