[发明专利]驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种无耦合运动的柔性铰链工作台，具体涉及一种基于电致伸缩器件和双层柔性铰链对称结构的三维无耦合微位移工作台。

背景技术

微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一, 近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。微位移工作台在微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、光学元件制造以及生物医学工程等领域有广泛的应用，具有纳米级精度的微位移工作台是其核心部件。设计三维微位移工作台，关键是解决运动耦合问题以及运动控制问题，即两个方向的驱动运动能各自独立且能精确定位。目前大多数三维微位移工作台采用一维运动的垂直叠加或者以串联嵌套式结构来实现三维运动，这种三维微位移工作台结构采用非对称结构设计，不仅结构复杂、体积庞大、不便于工作台的微型化，而且会产生累积误差影响工作台的精度，无法完全消除各个方向间的耦合作用。因此，为克服以上缺点，研制具有高精度、无耦合、定位精确、驱动器浮动的对称结构三维微位移工作台对于实际应用具有较大的意义。

发明内容

为了克服现有三维微位移工作台存在的结构复杂、体积庞大，不便于工作台的微型化，无法完全消除各个方向间的耦合作用的问题，本发明提供一种驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，包括基板、Z向下框、Z向上框、内工作台、工作台、驱动单元、支撑杆、驱动支链、Z向支撑单元、电致伸缩器件，其结构特点在于：所述基板中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设置内工作台，所述内工作台沿X、Y方向对称分布有四个内工作台凸缘；

所述Z向下框、Z向上框为截面呈正方形的C形杆状，分别垂直连接着基板的上表面和下表面中部；

所述工作台设置在内工作台的正上方，并通过四根均布的支撑杆跨过Z向上框连接着内工作台上表面；

所述驱动支链用于连接着基板与内工作台，驱动支链一端两侧边缘对称位置分别设有驱动侧板，驱动支链设有驱动侧板的一端通过两根平面柔性铰链杆与工作台凸缘连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆与基板连接，所述驱动支链共有两个，分别设置于基板空腔X-方向、Y-方向的中部；

所述驱动单元一端两侧对称设有连接板，并在设有连接板一端的中部开设了用于放置电致伸缩器件的凹槽，所述驱动单元共三个，分别位于基板空腔X+方向、Y+方向的中部以及内工作台与Z向下框之间的Z-方向，其中X+方向、Y+方向的驱动单元通过两根平面柔性铰链杆与工作台凸缘连接，另一端通过两根空间柔性铰链杆与基板连接，Z-方向的驱动单元一端通过两根空间柔性铰链杆与Z向下框连接，另一端通过两根平面柔性铰链杆与驱动支座连接；所述驱动支座用于连接Z-方向的驱动单元与内工作台，内工作台上表面对称位置设置了另一个驱动支座用于连接Z向支撑单元与内工作台；所述Z向支撑单元一端通过两根平面柔性铰链杆与驱动支座相连，另一端通过两根空间柔性铰链杆与Z向上框连接；

所述电致伸缩器件置于所述凹槽中部，其中：X+方向、Y+方向的电致伸缩器件一端顶紧凹槽的侧壁，另一端顶在内工作台凸缘上，Z-方向的电致伸缩器件一端顶紧凹槽的侧壁，另一端顶在驱动支座上。

本发明驱动器浮动的三维无耦合微位移工作台，其结构特点还在于：

所述内工作台为正方形板状，每个内工作台凸缘两侧面对称位置分别连接着平面柔性铰链杆的一端，上表面和下底面的中部分别与驱动支座另一端连接。

所述工作台为正方形板状且与内工作台大小相同，工作台通过与其下底面垂直的四根均布的正方形柱状支撑杆连接着内工作台上表面。

所述电致伸缩器件为Thorlabs公司生产的20μm行程PAS005 、PAS020驱动器或者40μm行程PAS009、PAS040驱动器。

与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明工作台采用空间柔性铰链杆和平面柔性铰链杆形成双层柔性铰链杆对称一体化结构，依靠平面柔性铰链与空间柔性铰链杆的无耦合运动特性、刚度特性、工作台对称结构特性，可完全消除耦合运动，提高精度，实现三维无耦合微位移输出，具有无间隙、无摩擦、灵敏度高的特点。

2、本发明工作台以电致伸缩器件作为驱动元件，且电致伸缩器件随工作台运动浮动，可实现一维、二维或三维无耦合微位移运动，同时输出位移更精细，且输出位移与输入位移成线性关系。由于三个方向的运动之间无耦合，相互独立，从而提高了工作台的定位精度，便于控制。