[发明专利]使用基于机械放大器的惯性马达的精确定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种精确定位系统，包括：

第一惯性子组件，包括至少一个压电激活(piezoactive)的元件和至少 一个惯性点，且能沿作动方向在作动点处产生冲击力和运动，

第二相对驱动子组件，包括至少一个驱动构件和一个被驱动构件，两个 构件中的一个经由作动点固定到第一惯性子组件，

电子电路，用于根据预定激励循环对第一惯性子组件的每个压电激活元 件供电。

背景技术

压电惯性马达用在精确线性或旋转微动力化应用中，例如在用于聚焦功 能的光学系统中或用于样品微定位的显微系统中。

压电惯性马达的概念描述于T.Higuchi的专利EP 0292989中。压电元 件11牢固地放在两个标记为12的质量构件M和标记为13的质量构件m之 间，这三个元件形成运动组件。质量件m总是自由的。质量件M与用作固 定参考的引导件14以摩擦力滑动接触。压电元件按照不对称激励循环而被 激励，通常通过锯齿形的可变电压来激励。施加到压电元件并施加时间t₁的 快速电压切换使得其快速变形并由此使得其端部快速运动，这产生了使得质 量件M由于质量件m的惯性而相对于引导件滑动的冲击力。这种现象被称 为滑动现象。通过慢慢地将电压切换到其初始值并经过时间t₂，会产生压电 元件的缓慢变形，导致在没有质量件M的情况下质量件m运动，质量件m 的惯性不在起作用且质量件M上的引导件的摩擦用作制动件，产生阻碍。 这种现象称为粘附现象。在不对称激励循环中，由此由于引导件而获得质量 件M的相对运动以及因而产生的运动组件的相对运动，并使基本步长连续。 通过重复该滑动-粘附循环，可以实现一步接一步的操作，能实现比基本步 长更大的长行程。

为了获得所需的操作，快速运动切换时间t₁和慢速运动切换时间t₂是决 定性的。术语“慢速”和“快速”相对于通过质量件m和压电元件的刚性k而行 程的子系统的自然周期是固定的。该自然周期T——该子系统的共振频率的 倒数f_r根据公式T＝1/f_r＝2p(m/k)^1/2。在电压切换时间t₁中——其小于自 然周期T，质量件m的惯性其作用且通过质量m和刚性k形成的子系统用 作冲击力产生器，其应用到M并能加速并驱动后者。这种规范将t₁＜T这种 选择固定下来。在电压切换时间t₂内——其大于自然周期T，该质量件m的 惯性不再起作用，且通过质量件m和刚性k形成子系统用作运动产生器，其 仅使m运动。该规范使得t₂＞T这种选择固定下来。

按照推荐的结构并由于元件的大刚性，共振频率f_r很高且实际上在 10kHz以上。该周期随后大于T＝100μs，且t₁由此必须小于100μs。在专利 EP0292989中，所使用的值是t₁＝50μs且t₂＝2ms且满足关系式t₁＜T＜t₂。

在由Saito Schuichiro在专利EP 0464764 A1中提出了非常类似的构思。 该专利中的标记了17、12和13的部件分别对应于专利EP 0292989中的质 量件M(即构件12)，压电元件11和质量件m(即构件13)。它们相对于构 件1形成处于相对运动中的子组件，与17摩擦滑动接触，如EP 0292989中 14那样。差异在于子组件17、12、和13是固定的且构件1是运动构件。

这种类型的机构也能提供精确定位模式，其能与长行程定位模式相结 合。例如，在Higuchi的专利EP 0292989的情况下，精确定位模式通过将要 被驱动的载荷固定在质量件m上来实现。通过保持电压而获得的压电元件的 准静态变形能使固定在质量件m上的载荷以良好的分辨率来定位。最大行程 U_max通过最大允许变形S_max和通过压电元件的长度L并通过关系式U_max＝ L·S_max来确定。在压电元件的通常长度为L＝10mm且变形S_max＝0.1％时， 最大行程通常为U_max＝10μm。

这种机构具有以下缺点：