專利名稱：基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，可用于精密和超精密加工、微夾持操作、掃描成像等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大行程微納米級高精度直線定位。
背景技術(shù)：
微納米級定位裝置在科學(xué)界和エ業(yè)界具有廣泛的應(yīng)用價值與需求。壓電驅(qū)動器作為微納米級定位裝置中的典型ー種，在精密和超精密加工、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、微納米力學(xué)測試、微夾持等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前利用壓電驅(qū)動元件基于不同的驅(qū)動原理，研究人員研制開發(fā)了形態(tài)和功能各異的驅(qū)動器，比較典型的有壓電疊堆 直驅(qū)式驅(qū)動器、柔性機(jī)構(gòu)驅(qū)動器、尺蠖型驅(qū)動器、慣性驅(qū)動器和粘滑式驅(qū)動器等。壓電疊堆直驅(qū)式驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、高分辨率等優(yōu)點，但是受到壓電疊堆輸出位移行程的限制，該類型驅(qū)動器輸出位移十分受限。柔性機(jī)構(gòu)驅(qū)動器可方便的實現(xiàn)多自由度運動，但是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，并且行程較小，剛度較低。尺蠖型驅(qū)動器具有大行程和快速響應(yīng)的優(yōu)點，但是其結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，另外對于加工和裝配要求極高。慣性驅(qū)動器往往具有簡單的結(jié)構(gòu)并能實現(xiàn)大行程和快速響應(yīng)，但是其承載能力低的缺點限制了其使用。粘滑式驅(qū)動器具有理論無限行程，但是其運動速度受限，承載能力也較低。綜上所述，研制具有大行程、高精度、高速度、高承載能力的驅(qū)動器目前依然是ー個難點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明基于寄生運動原理設(shè)計ー種大行程微納米級直線驅(qū)動器，為實現(xiàn)大行程高精度定位提供ー種可用方案?；诩纳\動原理該類型驅(qū)動器可實現(xiàn)毫米級大行程和微納米級高精度定位。借助本發(fā)明提供的驅(qū)動原理，可以設(shè)計形式各異的大行程高精度壓電驅(qū)動器，滿足精密和超精密加工、微夾持操作、掃描成像等領(lǐng)域的不同需求。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，包括正向驅(qū)動單元、動子單元及負(fù)向驅(qū)動單元，所述的正向驅(qū)動單元、動子單元及負(fù)向驅(qū)動單元分別通過螺釘與基座I連接。所述的正向驅(qū)動單元由正向運動壓電疊堆3和正向運動柔性鉸鏈4組成，所述正向運動柔性鉸鏈4通過螺釘與基座I連接，所述正向運動壓電疊堆3采用緊配合方式安裝在正向運動柔性鉸鏈4的凹槽內(nèi)。所述的負(fù)向驅(qū)動單元由負(fù)向運動壓電疊堆7和負(fù)向運動柔性鉸鏈6組成，所述負(fù)向運動柔性鉸鏈6通過螺釘與基座I連接，所述負(fù)向運動壓電疊堆7采用緊配合方式安裝在負(fù)向運動柔性鉸鏈6的凹槽內(nèi)。
所述的動子単元由導(dǎo)軌滑塊組件2和動子5組成，動子單元通過導(dǎo)軌滑塊組件2的導(dǎo)軌上的安裝孔與基座I連接，動子5通過螺釘與導(dǎo)軌滑塊組件2的滑塊連接。所述的動子単元通過動子5兩側(cè)的薄片狀結(jié)構(gòu)分別與正向驅(qū)動單元和負(fù)向驅(qū)動單元輸出端的凹槽實現(xiàn)間隙配合。本發(fā)明基于寄生運動原理，該類型驅(qū)動器可實現(xiàn)毫米級大行程和微納米級高精度定位。本發(fā)明的有益效果在干結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，控制便捷，基于寄生運動原理為精密和超精密加工、微夾持操作、掃描成像等領(lǐng)域提供ー種大行程微納米級定位方案，利用該方案研制的壓電驅(qū)動器具有理論上無限的位移行程，在100伏的驅(qū)動電壓和5赫茲驅(qū)動頻率時驅(qū)動速度達(dá)到40微米/秒，改變驅(qū)動電壓和驅(qū)動頻率可以方便的獲得不同驅(qū)動速度和分辨 率的運動輸出。可用于精密和超精密加工、微夾持操作、掃描成像等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大行程微納米級高精度直線定位。適用范圍廣，實用性強(qiáng)。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)ー步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。圖I是本發(fā)明的基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器的立體結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明弾性體變形產(chǎn)生寄生運動的示意 圖3是本發(fā)明基于寄生運動原理實現(xiàn)直線驅(qū)動的原理 圖4是本發(fā)明基于寄生運動原理實現(xiàn)直線驅(qū)動的時序控制 圖5是本發(fā)明基于寄生運動原理實現(xiàn)直線驅(qū)動的過程示意 圖6是本發(fā)明基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器的俯視示意 圖7是本發(fā)明基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器的主視示意 圖8是本發(fā)明驅(qū)動器在驅(qū)動頻率均為3赫茲，不同驅(qū)動電壓幅值下測得的實際運動輸出曲線；
圖9是本發(fā)明驅(qū)動器在驅(qū)動電壓幅值均為100伏，不同驅(qū)動電壓頻率下測得的實際運動輸出曲線。圖中1、基座；2、導(dǎo)軌滑塊組件；3、正向運動壓電疊堆；4、正向運動柔性鉸鏈；5、動子；6、負(fù)向運動柔性鉸鏈；7、負(fù)向運動壓電疊堆。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)ー步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實施方式
。參見圖I、圖6及圖7所示，本發(fā)明的基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，包括正向驅(qū)動單元、動子單元及負(fù)向驅(qū)動單元，所述的正向驅(qū)動單元、動子單元及負(fù)向驅(qū)動單元分別通過螺釘與基座I連接。所述的正向驅(qū)動單元由正向運動壓電疊堆3和正向運動柔性鉸鏈4組成，所述正向運動柔性鉸鏈4通過螺釘與基座I連接，所述正向運動壓電疊堆3采用緊配合方式安裝在正向運動柔性鉸鏈4的凹槽內(nèi)。
所述的負(fù)向驅(qū)動單元由負(fù)向運動壓電疊堆7和負(fù)向運動柔性鉸鏈6組成，所述負(fù)向運動柔性鉸鏈6通過螺釘與基座I連接，所述負(fù)向運動壓電疊堆7采用緊配合方式安裝在負(fù)向運動柔性鉸鏈6的凹槽內(nèi)。所述的動子単元由導(dǎo)軌滑塊組件2和動子5組成，動子單元通過導(dǎo)軌滑塊組件2的導(dǎo)軌上的安裝孔與基座I連接，動子5通過螺釘與導(dǎo)軌滑塊組件2的滑塊連接。所述的動子単元通過動子5兩側(cè)的薄片狀結(jié)構(gòu)分別與正向驅(qū)動單元和負(fù)向驅(qū)動單元輸出端的凹槽實現(xiàn)間隙配合。
本發(fā)明基于寄生運動原理，該類型驅(qū)動器可實現(xiàn)毫米級大行程和微納米級高精度定位。參見圖2，是弾性體變形產(chǎn)生寄生運動的示意圖。弾性體A在受到外部載荷F作用時會產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致輸出端B產(chǎn)生微小運動，包括沿著z向的運動Az和沿著ァ向的運動Ay。利用z向的運動Ajt，該種結(jié)構(gòu)在微夾持領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Z向的運動Ajt用于實現(xiàn)對被夾持物體的夾持，而ァ向的運動△ァ則是由于弾性體A變形導(dǎo)致的附加運動。因為Aァ是伴隨Az產(chǎn)生的，所以ァ向的運動Aァ被稱之為寄生運動。該種寄生運動對于微夾持應(yīng)用來說是有害的，它會導(dǎo)致被夾持物體產(chǎn)生滑動，不利于夾持的穩(wěn)定性。然而，本發(fā)明卻是利用這種寄生運動來實現(xiàn)直線驅(qū)動的。參見圖3，是基于寄生運動原理實現(xiàn)直線驅(qū)動的原理圖。當(dāng)弾性體變形產(chǎn)生夾持運動Az和寄生運動Aァ時，弾性體輸出端首先對動子產(chǎn)生正壓カN，隨著寄生運動的増大，動子與弾性體輸出端有相對運動趨勢，摩擦力/N隨之產(chǎn)生。由于寄生運動Aァ和摩擦力/N的存在，使得動子沿著ァ向產(chǎn)生直線運動。參見圖4及圖5，說明基于寄生運動原理實現(xiàn)直線驅(qū)動具體過程。如附圖5所示，一個完整的運動過程主要包括6個步驟(a)從0到ら時刻，動子和輸出端之間存在一定的間隙5，夾持運動Az主要用于補(bǔ)償間隙，此段時間內(nèi)，動子和弾性體輸出端未接觸；(b)在U時刻，動子和弾性體輸出端初始接觸；(C)在ら至t2時刻，隨著弾性體進(jìn)ー步變形，夾持運動Az和寄生運動Aァ増大。根據(jù)附圖3，動子在寄生運動Aァ和摩擦力/,的作用下沿著ァ向?qū)崿F(xiàn)微小直線運動；(d)在t2時刻,彈性體達(dá)到最大變形,動子也達(dá)到單步最大位移S ; (e)在ら至/吋刻，弾性體逐步恢復(fù)初始狀態(tài)，但是其輸出端與動子仍然接觸，導(dǎo)致動子沿著ァ向有一定的負(fù)向運動，記為A ;(f)在r時刻，弾性體恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一個運動循環(huán)做準(zhǔn)備。在ー個運動循環(huán)中，單步有效運動位移X為5；ボ-5；。重復(fù)以上6步，可以實現(xiàn)動子連續(xù)直線運動。通過改變驅(qū)動電壓頻率和幅值可以獲得不同的驅(qū)動速度和位移分辨率。參見圖6及圖7，當(dāng)具有一定幅值和頻率的驅(qū)動電壓作用到正向壓電疊堆3吋，正向壓電疊堆3將在壓電效應(yīng)的作用下伸長，通過柔性機(jī)構(gòu)傳遞最終帶動正向運動柔性鉸鏈4產(chǎn)生夾持運動和寄生運動,從而帶動動子5實現(xiàn)沿著向的直線運動。通過左右對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，該直線驅(qū)動器可實現(xiàn)沿著ァ向的正向和負(fù)向運動。連續(xù)給壓電疊堆施加具有一定幅值和頻率的驅(qū)動電壓，動子5可沿著ァ向連續(xù)、大行程運動。參見圖8，是本發(fā)明在驅(qū)動頻率均為3赫茲，不同驅(qū)動電壓幅值下測得的實際運動輸出曲線。附圖9是本發(fā)明在驅(qū)動電壓幅值均為100伏，不同驅(qū)動電壓頻率下測得的實際運動輸出曲線。在驅(qū)動電壓100伏、頻率5赫茲時，驅(qū)動速度超過40微米/秒。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，其特征在于包括正向驅(qū)動單元、動子單元及負(fù)向驅(qū)動單元,所述的正向驅(qū)動單元、動子單元及負(fù)向驅(qū)動單元分別通過螺釘與基座(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，其特征在于所述的正向驅(qū)動單元由正向運動壓電疊堆(3)和正向運動柔性鉸鏈(4)組成，所述正向運動柔性鉸鏈(4)通過螺釘與基座(I)連接，所述正向運動壓電疊堆(3)采用緊配合方式安裝在正向運動柔性鉸鏈(4)的凹槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，其特征在干所述的負(fù)向驅(qū)動單元由負(fù)向運動壓電疊堆(7)和負(fù)向運動柔性鉸鏈(6)組成，所述負(fù)向運動柔性鉸鏈(6)通過螺釘與基座(I)連接，所述負(fù)向運動壓電疊堆(7)采用緊配合方式安裝在負(fù)向運動柔性鉸鏈(6)的凹槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，其特征在干所述的動子単元由導(dǎo)軌滑塊組件(2)和動子(5)組成，動子單元通過導(dǎo)軌滑塊組件(2)的導(dǎo)軌上的安裝孔與基座(I)連接，動子(5)通過螺釘與導(dǎo)軌滑塊組件(2)的滑塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，其特征在于所述的動子単元通過動子(5)兩側(cè)的薄片狀結(jié)構(gòu)分別與正向驅(qū)動單元和負(fù)向驅(qū)動單元輸出端的凹槽實現(xiàn)間隙配合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于寄生運動原理的大行程微納米級直線驅(qū)動器，可用于精密和超精密加工、微夾持操作、掃描成像等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大行程微納米級高精度直線定位。主要由正向驅(qū)動單元、動子單元、負(fù)向驅(qū)動單元等組成。正向驅(qū)動單元和負(fù)向驅(qū)動單元成對稱結(jié)構(gòu)安裝在基座上，動子單元安裝在基座的凹槽內(nèi)。動子單元中動子兩側(cè)的薄片狀結(jié)構(gòu)與正向驅(qū)動單元和負(fù)向驅(qū)動單元的輸出端通過間隙配合實現(xiàn)連接。該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)緊湊、控制便捷，基于寄生運動原理可以實現(xiàn)毫米級大行程和微納米級高精度直線定位功能，在精密和超精密加工、微夾持操作、掃描成像等需要大行程和高精度定位的領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02N2/06GK102647107SQ20121011461
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者萬順光, 史成利, 楊兆軍, 范尊強(qiáng), 趙宏偉, 黃虎 申請人:吉林大學(xué)