定位平台的制作方法

1.本实用新型涉及精密定位台技术领域，特别是涉及一种紧凑型压电精密定位平台。


背景技术：

2.精密定位台是可以实现微米级甚至纳米尺度定位的超精密运动装置，其广泛适用于科学研究，尤其应用于精密光学、半导体、医疗等领域。多维度的精密定位台一般由并联或串联结构实现，并联结构具有刚性好的特点，但是结构复杂，加工难度大，并且成本较高。串联结构具有结构简单紧凑、成本低、加工简单的特点，但是整体刚性较差，在工作过程中易于引起振动。


技术实现要素：

3.针对上述问题，提出了本实用新型。本实用新型提供一种紧凑型压电精密定位台，其具有较高的系统刚性，并且具有低的成本，可以实现高精密的定位控制。
4.根据一示例性实施例，提供一种定位平台，包括第一柔性主体结构和至少一个压电驱动元件，所述第一柔性主体结构包括第一固定端、中间端和第一活动端，所述第一固定端和中间端通过第一柔性臂机构连接，所述中间端和所述第一活动端通过第二柔性臂机构连接，所述第一柔性臂机构和所述第二柔性臂机构在空间呈垂直布置，所述至少一个压电驱动元件包括第一压电驱动元件，所述第一压电驱动元件连接在所述第一固定端和所述中间端之间。
5.在一些实施例中，所述第一柔性臂机构包括平行布置的第一柔性臂和第二柔性臂，所述第一压电驱动元件设置在所述第一柔性臂和所述第二柔性臂之间。
6.在一些实施例中，所述至少一个压电驱动元件还包括第二压电驱动元件，所述第二压电驱动元件连接在所述中间端和所述第一活动端之间。
7.在一些实施例中，所述第二柔性臂机构包括平行布置的第三柔性臂和第四柔性臂，所述第二压电驱动元件设置在所述第三柔性臂和所述第四柔性臂之间。
8.在一些实施例中，所述第一固定端上设置有第五柔性臂，所述中间端上设置有第六柔性臂，所述第一压电驱动元件的两端分别与所述第五柔性臂和所述第六柔性臂相连接。
9.在一些实施例中，所述第一压电驱动元件的伸缩方向与所述第一柔性臂机构呈夹角θ，所述θ大于0
°
且小于90
°
。
10.在一些实施例中，所述柔性主体结构还包括第三柔性臂机构，所述第三柔性臂机构包括相互连接的第七柔性臂和第八柔性臂，所述第七柔性臂和所述第八柔性臂在空间呈垂直布置，其中，所述第七柔性臂的一端连接到所述第一固定端，所述第八柔性臂的一端连接到所述第一活动端。
11.在一些实施例中，所述第一柔性臂包括两端的柔性铰链和所述柔性铰链之间的主
体臂，所述柔性铰链为厚度为d、长度为l的板材，所述主体臂为厚度为d的板材，其中，d》d，l≧4d。
12.在一些实施例中，定位平台还可包括第二柔性主体结构，所述第二柔性主体结构位于所述第一柔性主体结构的下方，其中，所述第二柔性主体结构包括第二固定端和第二活动端，并且，所述至少一个压电驱动元件还包括第三压电驱动元件，所述第三压电驱动元件倾斜连接在所述第二固定端和所述第二活动端之间。
13.在一些实施例中，所述第二柔性主体结构还包括第四柔性臂机构，所述第二固定端和第二活动端通过所述第四柔性臂机构连接，并且所述第四柔性臂机构包括平行布置的第九柔性臂和第十柔性臂。
14.在一些实施例中，所述第二固定端上设置有第十一柔性臂，所述第二活动端上设置有第十二柔性臂，所述第三压电驱动元件的两端分别与所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂相连接。
15.在一些实施例中，所述至少一个压电驱动元件还包括第四压电驱动元件，所述第三压电驱动元件和所述第四压电驱动元件对称地设置在所述第二固定端和所述第二活动端之间。
16.在一些实施例中，所述第三压电驱动元件和所述第四压电驱动元件的两端分别与所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂相连接，并且，所述第九柔性臂和所述第十柔性臂上在临近所述第二固定端和所述第二活动端的位置处设置有第一缺口，所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂上在与所述第一缺口相对应的位置处设置有第二缺口，所述第二缺口将所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂截断。
17.通过对压电驱动元件和柔性主体结构的结构和布局设计，本实用新型可以充分利用空间，实现了紧凑的效果并降低系统复杂度，采用柔性臂对各部件进行连接，系统的刚性可以提高，从而可以实现纳米级的精密定位控制。本实用新型的定位平台还可使用在各种极端环境(超高真空、强磁场、极低温)中。
18.本实用新型的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。
附图说明
19.图1示出根据本实用新型一实施例的定位平台的结构示意图；
20.图2a-2b示出根据本实用新型一实施例的定位平台的运动示意图；
21.图3示出根据本实用新型一实施例的定位平台的另一结构示意图；
22.图4示出根据本实用新型一实施例的定位平台的示意性正视图；
23.图5示出根据本实用新型一实施例的定位平台的第二柔性主体结构的示意性俯视图；
24.图6示出根据本实用新型一实施例的定位平台的第二柔性主体结构的示意性俯视图。
具体实施方式
25.下面参照附图描述本实用新型的示例性实施例。在附图中，相同的参考标号通常
代表相同的部件。应理解，附图中显示的部件的尺寸和大小不一定是按比例绘制的，它们可与这里显示的用于实施的实施例中的不同。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。
26.图1示出根据本实用新型一实施例的定位平台的的结构示意图。如图1所示，定位平台系统主要包括两个部分：柔性主体结构100和至少一个压电驱动元件(图1中示出了两个压电驱动元件201、202)，压电驱动元件201、202在电压的激励下可产生伸缩形变，柔性主体结构100将此形变放大实现其上负载的精密运动。
27.柔性主体结构100可包括第一固定端101、中间端102和第一活动端103，其中，第一固定端101和中间端102通过第一柔性臂机构进行连接，中间端102和第一活动端103通过第二柔性臂机构连接，所述第一柔性臂机构和所述第二柔性臂机构在空间呈垂直布置。如此，柔性主体结构100的内部结构基本呈镜像对称布置，这样可以最大化利用空间，达到了紧凑的效果，可缩减精密定位平台的整体尺寸。在一实施例中，柔性主体结构100的固定端101、中间段102和活动端103可与第一柔性臂机构、第二柔性臂机构一体加工成型，用以提高系统刚性。
28.固定端101和活动端103的截面基本呈长条形，两者通过柔性臂结构实现了连接。固定端101上可设置有螺纹孔等而将定位平台固定到底座(未示出)等固定装置上来固定定位平台，活动端103上也可设置有螺纹孔从而配合固定/承受负载。可以理解，也可以采用其他的紧固方式来实现固定或承受负载。中间端102的截面大体呈方形，其通过柔性臂结构连接固定端101和活动端103以及压电驱动元件201、202，这将在后面详细描述。
29.在一示例中，固定端101、中间端102、活动端103以及连接其的柔性臂结构可采用纯钛、钛合金、铝合金、或铍铜合金等材料制成，从而定位平台可应用于高真空、极低温或强磁场等极端环境。
30.压电驱动元件201连接在固定端101和中间端102之间，压电驱动元件202连接在中间端102和活动端103之间。压电驱动元件201、202可以是压电陶瓷堆，其可为压电陶瓷片堆叠而成。压电陶瓷能够将机械能和电能相互转换，具有敏感的特性，在被电压激励时，将产生伸缩形变，从而驱动活动端103进行运动。在一实施例中，压电驱动元件201布置为倾斜连接在固定端101和中间端102、和/或中间端102和活动端103之间，从而柔性主体结构100可放大压电陶瓷堆的形变。
31.图2a、2b示出了根据本实用新型一实施例的定位平台的运动示意图，如图2a所示，在对压电驱动元件201通电后，其将在如箭头所示的方向上产生伸缩形变(可通过施加电压的大小进行调整)，这将带动活动端103进行y轴方向的致动。如图2b所示，在对压电驱动元件202通电后，其将在如箭头所示的方向上产生伸缩形变，这将带动活动端103进行x轴方向的致动。当压电驱动元件201和压电驱动元件202同时通电，即可实现定位平台的二维精密运动。其中，作为示例，本文中的x轴定义为柔性臂104的延伸方向，z轴定位为柔性臂110的延伸方向，z轴定位于垂直于x轴、y轴的方向。
32.返回图1，连接固定端101和中间端102的第一柔性臂机构可包括第一柔性臂104和第二柔性臂105，第一柔性臂104与第二柔性臂105成平行布置，压电驱动元件201设置在第一柔性臂104和第二柔性臂105之间，即固定端101、第一柔性臂104、中间端102和第二柔性臂105顺次连接形成中空腔，压电驱动元件201设置在该腔内。
33.为了实现固定端101和中间端102之间的柔性连接，柔性臂104和柔性臂105的两端可设有柔性铰链，例如，柔性铰链结构为金属薄板。与固定端101和中间端102所制成的材料相同，柔性臂、柔性铰链也可采用钛、铝、铍铜等材料制成以兼容极端环境。柔性臂104的中间主体臂部分厚度为d，柔性铰链结构的厚度为d，其中d可大于d，优选地d大于2倍d；同时，柔性铰链结构在柔性臂的延伸方向上的长度为l，优选地l大于等于4倍d，这可提高系统刚性。
34.在一实施例中，在固定端101和中间端102的相对侧设置有凹槽，在固定端101上设置有柔性臂106，在中间端102上设置有柔性臂107，压电驱动元件201(例如，压电陶瓷堆)的两端分别与该柔性臂106和柔性臂107相连接(例如，粘接)。柔性臂106和柔性臂107的延伸方向与压电驱动元件201的伸缩方向同向布置。压电驱动元件201的伸缩方向(即柔性臂106与柔性臂107的连接方向)与柔性臂104、105呈夹角θ，该θ大于0
°
且小于90
°
。锐角设置可使得柔性主体结构将压电驱动元件201的伸缩形变在预定方向上进行放大，满足实际驱动需要。
35.为了实现压电驱动元件201的连接，柔性臂106、107的一端可设有柔性铰链结构，该柔性铰链结构同样可为金属薄板，其厚度设为d，柔性铰链结构在柔性臂的延伸方向上的长度设为l，优选地l大于等于4倍d。
36.与第一柔性臂结构相似，连接中间端102和活动端103的第二柔性臂机构可包括第三柔性臂110和第四柔性臂111，第三柔性臂110与第四柔性臂111成平行布置，压电驱动元件202设置在第三柔性臂110和第四柔性臂111之间，即中间端102、第三柔性臂110、活动端103和第四柔性臂111顺次连接形成中空腔，压电驱动元件202设置在该腔内。在一实施例中，第二柔性臂机构与第一柔性臂机构在空间呈垂直布置，即第三柔性臂110/第四柔性臂111和第一柔性臂104/第二柔性臂105成90
°
夹角。
37.在一实施例中，在中间端102和活动端103的相对侧设置有凹槽，凹槽内设置有柔性臂结构，压电驱动元件202(例如，压电陶瓷堆)的两端分别与柔性臂相连接，相关连接结构和方式与压电驱动元件201相似，此处不再赘述。压电驱动元件202的伸缩方向与柔性臂110、111也呈夹角θ(大于0
°
且小于90
°
)，使得柔性主体结构将压电驱动元件202的伸缩形变在预定方向(x轴方向)上进行放大，满足实际驱动需要。可以看出，在该实施例中，压电驱动元件201、202和柔性臂结构呈方形镜像对称布置，这实现了最大化空间利用，使得定位平台整体紧凑稳固。
38.在一实施例中，柔性主体结构100还可包括第三柔性臂机构，该第三柔性臂机构包括相互连接的第七柔性臂108和第八柔性臂109，其中，柔性臂108和柔性臂109在空间呈垂直布置，并分别与两个致动方向平行，即柔性臂108可平行于第一柔性臂机构，而柔性臂109可平行于第二柔性臂机构。柔性臂108的一端连接到活动端103，连接位置可邻近柔性臂110，柔性臂109的一端连接到固定端101，连接位置可邻近柔性臂105。柔性臂108和柔性臂109在固定端101和活动端103的邻接处相互连接在一起，其可以提升定位平台的系统刚性，特别是扭摆模态下的刚性。
39.与柔性臂104的结构相似，柔性臂108、109的两端可设有柔性铰链结构，其可为金属薄板，厚度为d，柔性铰链结构在柔性臂的延伸方向上的长度为l，优选地l大于等于4倍d。柔性臂104的中间部分厚度为d，d可大于d，优选地d大于2倍d，这可提高系统刚性。
40.图3示出根据本实用新型一实施例的定位平台的另一结构示意图，该定位平台可在图2所示的二维致动基础上增加第三个致动方向(z轴方向)，从而实现三维精密运动。如图3所示，在图1-2所示的柔性主体结构100的基础上，定位平台还可包括第二柔性主体结构，该第二柔性主体结构位于前面描述的柔性主体结构100的下方。第二柔性主体结构包括活动端301和固定端302，其中，活动端301位于固定端101的下方，固定端302可位于中间端102的下方。在一实施例中，固定端301和活动端302可通过柔性臂结构连接为一体。例如，该柔性臂结构可包括平行布置的柔性臂303和柔性臂304，柔性臂303、304的结构与柔性臂104、105的结构类似。在一实施例中，柔性臂303在宽度方向(与延伸方向以及第三致动方向垂直)的尺寸不小于柔性主体101、301在同一方向的延伸长度的1/2，优选地，不小于2/3，更优选地，与柔性主体101延伸长度相同，这可提高系统刚性特别是扭摆模态的刚性。此外，柔性臂303、304的两端可设置有柔性铰链结构，这与柔性臂104、105的结构类似，此处不再赘述。
41.为了实现第三致动方向的运动，在活动端301和固定端302之间可设置有致动器件，例如压电陶瓷堆等驱动元件。图4示出该实施例的定位平台的示意性正视图，在该实施例中，压电驱动元件401可倾斜连接在所述活动端301和固定端302之间，倾斜角度(即压电驱动元件401与柔性臂304之间的夹角)可大于0
°
且小于90
°
。在对压电驱动元件401通电后，其将在如箭头所示的方向上产生伸缩形变，这将带动活动端301进行z轴方向的致动，进而带动活动端103进行z向运动。压电驱动元件401的两端可通过柔性臂结构305、306分别连接到活动端301和固定端302，这与柔性臂106、107的结构类似，此处不再赘述。
42.在一实施例中，可只设置一个压电驱动元件实现第三方向的致动，图5示出根据一实施例的定位平台的第二柔性主体结构的示意性俯视图，如图5所示，压电驱动元件401可设置在第二柔性主体结构的居中位置，即压电驱动元件401可通过柔性臂结构连接在活动端301和固定端302的中间位置，如此可提高系统的稳固性。
43.替代地，可设置两个或更多个压电驱动元件来实现第三方向的致动，这可提高系统刚性以及驱动力。图6示出根据本实用新型一实施例的定位平台的第二柔性主体结构的示意性横切面俯视图。如图所示，在活动端301和固定端302可设置有两个压电陶瓷堆401、402，其可对称地设置在活动端301和固定端302之间，例如，压电陶瓷堆401沿活动端301的长度延伸方向位于活动端301的头侧，而压电陶瓷堆402位于活动端301的尾侧，两个压电陶瓷堆401、402的结构、空间布置可相同以提高系统稳固性。
44.如前所述，压电陶瓷堆401和402的两端可通过柔性臂305、306连接到第二柔性主体，柔性臂305、306可分别沿活动端301和固定端302的长度方向延伸。在一实施例中，可将柔性臂305、306进行截断以提高压电陶瓷堆401、402的驱动效率。如图6所示，在柔性臂303和/或柔性臂304的两端，即在邻近活动端301和固定端302的位置处通过线切割等方式设置有相对的缺口307(例如，4个)，加工时该缺口将贯通柔性臂305、306，由此在柔性臂305、306上与前述柔性臂303、304上的缺口相对应的位置处也将形成有缺口，该缺口将柔性臂305、306截断成三段，压电陶瓷堆401、402连接到截断后的柔性臂305、306的首段和末段上，这可提高压电陶瓷堆401、402驱动第二柔性主体形变的驱动效率。
45.以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于
本技术领域的普通技术人员来说许多组合、修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种定位平台，其特征在于，包括第一柔性主体结构和至少一个压电驱动元件，所述第一柔性主体结构包括第一固定端、中间端和第一活动端，所述第一固定端和中间端通过第一柔性臂机构连接，所述中间端和所述第一活动端通过第二柔性臂机构连接，所述第一柔性臂机构和所述第二柔性臂机构在空间呈垂直布置，所述至少一个压电驱动元件包括第一压电驱动元件，所述第一压电驱动元件连接在所述第一固定端和所述中间端之间。2.如权利要求1所述的定位平台，其特征在于，所述第一柔性臂机构包括平行布置的第一柔性臂和第二柔性臂，所述第一压电驱动元件设置在所述第一柔性臂和所述第二柔性臂之间。3.如权利要求1或2所述的定位平台，其特征在于，所述至少一个压电驱动元件还包括第二压电驱动元件，所述第二压电驱动元件连接在所述中间端和所述第一活动端之间。4.如权利要求3所述的定位平台，其特征在于，所述第二柔性臂机构包括平行布置的第三柔性臂和第四柔性臂，所述第二压电驱动元件设置在所述第三柔性臂和所述第四柔性臂之间。5.如权利要求1或2所述的定位平台，其特征在于，所述第一固定端上设置有第五柔性臂，所述中间端上设置有第六柔性臂，所述第一压电驱动元件的两端分别与所述第五柔性臂和所述第六柔性臂相连接。6.如权利要求1或2所述的定位平台，其特征在于，所述第一压电驱动元件的伸缩方向与所述第一柔性臂机构呈夹角θ，所述θ大于0
°
且小于90
°
。7.如权利要求1或2所述的定位平台，其特征在于，所述柔性主体结构还包括第三柔性臂机构，所述第三柔性臂机构包括相互连接的第七柔性臂和第八柔性臂，所述第七柔性臂和所述第八柔性臂在空间呈垂直布置，其中，所述第七柔性臂的一端连接到所述第一固定端，所述第八柔性臂的一端连接到所述第一活动端。8.如权利要求2所述的定位平台，其特征在于，所述第一柔性臂包括两端的柔性铰链和所述柔性铰链之间的主体臂，所述柔性铰链为厚度为d、长度为l的板材，所述主体臂为厚度为d的板材，其中，d>d，l≧4d。9.如权利要求1或2所述的定位平台，其特征在于，还包括第二柔性主体结构，所述第二柔性主体结构位于所述第一柔性主体结构的下方，其中，所述第二柔性主体结构包括第二固定端和第二活动端，并且，所述至少一个压电驱动元件还包括第三压电驱动元件，所述第三压电驱动元件倾斜连接在所述第二固定端和所述第二活动端之间。10.如权利要求9所述的定位平台，其特征在于，所述第二柔性主体结构还包括第四柔性臂机构，所述第二固定端和第二活动端通过所述第四柔性臂机构连接，并且所述第四柔性臂机构包括平行布置的第九柔性臂和第十柔性臂。11.如权利要求10所述的定位平台，其特征在于，所述第二固定端上设置有第十一柔性臂，所述第二活动端上设置有第十二柔性臂，所述第三压电驱动元件的两端分别与所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂相连接。12.如权利要求11所述的定位平台，其特征在于，所述至少一个压电驱动元件还包括第四压电驱动元件，所述第三压电驱动元件和所述第四压电驱动元件对称地设置在所述第二固定端和所述第二活动端之间。13.如权利要求12所述的定位平台，其特征在于，所述第三压电驱动元件和所述第四压
电驱动元件的两端分别与所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂相连接，并且，所述第九柔性臂和/或所述第十柔性臂上在临近所述第二固定端和所述第二活动端的位置处设置有第一缺口，所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂上在与所述第一缺口相对应的位置处设置有第二缺口，所述第二缺口将所述第十一柔性臂和所述第十二柔性臂截断。

技术总结
本实用新型提供了一种压电精密定位平台。一种精密定位平台可包括第一柔性主体结构和至少一个压电驱动元件，所述第一柔性主体结构包括第一固定端、中间端和第一活动端，所述第一固定端和中间端通过第一柔性臂机构连接，所述中间端和所述第一活动端通过第二柔性臂机构连接，所述第一柔性臂机构和所述第二柔性臂机构在空间呈垂直布置，所述至少一个压电驱动元件包括第一压电驱动元件，所述第一压电驱动元件连接在所述第一固定端和所述中间端之间。本发明的定位平台结构紧凑、刚性高，能够实现精密定位，并且可使用在超高真空等极端环境中。中。中。


技术研发人员：郭成龙 邢健 刘立民
受保护的技术使用者：多场低温科技（北京）有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/7/17