[发明专利]一种基于人字结构的平面三自由度微动装置的微动方法

摘要

一种基于人字结构的平面三自由度微动装置，由柔性铰链、三个相同的压电陶瓷、三个相同的电磁铁分别组成三个机构，其中每一个机构中，压电陶瓷一端和电磁铁紧固连接，另一端被固定于柔性铰链上；三个机构呈三等分圆周角分布，是一个轴对称结构；当该装置放置于金属底面上时，电磁铁起到锁止的作用，压电陶瓷提供输入位移，柔性铰链产生形变，经过对电磁铁和压电陶瓷两端电压的控制，能够实现该装置在金属平面上的三自由度的微小平动和转动；本发明结构简单，具有锁止功能，作动精准，能够实现在平面内的自由平动和转动。

主权项

1.一种基于人字结构的平面三自由度微动装置的微动方法，所述微动装置放置于金属底面上，包括柔性铰链(3)、第一压电陶瓷(1‑1)、第二压电陶瓷(1‑2)、第三压电陶瓷(1‑3)、第一电磁铁(2‑1)、第二电磁铁(2‑2)和第三电磁铁(2‑3)，其中，第一压电陶瓷(1‑1)一端和第一电磁铁(2‑1)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第一个机构，第二压电陶瓷(1‑2)一端和第二电磁铁(2‑2)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第二个机构，第三压电陶瓷(1‑3)一端和第三电磁铁(2‑3)紧固连接，另一端被固定于柔性铰链(3)上形成第三个机构；三个机构呈两两中轴夹角120°分布，中心点即为柔性铰链(3)的中心点；其特征在于：所述平面三自由度微动方法为：当以柔性铰链(3)的中心为圆心，并以此点为微动输出的参考点，以第一压电陶瓷(1‑1)的中心轴为y轴，在这个平面坐标系中，所述装置能够完成三个自由度的微动，不仅能够实现参考点在x、y方向的平动，还能够实现参考点绕任意一个机构的中轴上某个固定位置点即中轴上电磁铁与压电陶瓷的交接点的转动；该装置最基本的作动原理如下：在初始位置，若锁止本装置的一个机构，以给第一电磁铁(2‑1)通电锁止为例，锁止后，给第一压电陶瓷(1‑1)通电使其伸长，然后给第二电磁铁(2‑2)和第三电磁铁(2‑3)通电使其锁止，再给第一电磁铁(2‑1)断电解除锁止，给第一压电陶瓷(1‑1)断电使其恢复原长，此时整个机构向y轴负方向平移；若锁止本装置的两个机构，以给第二电磁铁(2‑2)和第三电磁铁(2‑3)通电锁止为例，锁止后，给第二压电陶瓷(1‑2)和第三压电陶瓷(1‑3)通电使其分别伸长一个位移量，两个位移量相同或不同，于是第二压电陶瓷(1‑2)和第三压电陶瓷(1‑3)分别给予柔性铰链(3)两个力，柔性铰链(3)在两个力的作用下发生形变，中心参考点产生向某个角度的平移；此后，有两种控制方式：其一，若要使参考点绕第一压电陶瓷(1‑1)的末端点顺时针转动一个角度，给第一电磁铁(2‑1)通电使其锁止，给第二电磁铁(2‑2)和第三电磁铁(2‑3)断电使其解除锁止，这时柔性铰链(3)恢复原始状态，对第二压电陶瓷(1‑2)和第三压电陶瓷(1‑3)断电，使整个装置恢复原始形状，此时参考点输出了上述某个角度上的的平移；当第二压电陶瓷(1‑2)和第三压电陶瓷(1‑3)的伸长量相同时，此时参考点向y轴正方向平移；其二，若要使参考点绕第三压电陶瓷(1‑3)的末端点顺时针转动一个角度，给第二电磁铁(2‑2)断电解除锁止，第三电磁铁(2‑3)仍处于锁止状态，这时柔性铰链(3)恢复原始状态，对第二压电陶瓷(1‑2)和第三压电陶瓷(1‑3)断电，使整个装置恢复原始形状，此时参考点绕第三压电陶瓷(1‑3)的末端点顺时针转动了一个角度；根据上述原理，调整三个机构的锁止状态、作动顺序和伸长量，能够实现参考点绕第一压电陶瓷(1‑1)、第二压电陶瓷(1‑2)或第三压电陶瓷(1‑3)的末端点的转动，以及在平面内不同角度的平移，如果要实现x轴正方向的平移，则首先锁止第一电磁铁(2‑1)和第二电磁铁(2‑2)，再对第一压电陶瓷(1‑1)和第二压电陶瓷(1‑2)通电使其分别伸长即可，当两者的伸长量满足一定数值关系时，能够使实现参考点在x轴正方向上的平移；同理，再次改变锁止与作动顺序，能够实现参考点在x轴负方向上的平移。