[发明专利]驱动器固定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，同时采用驱动器固定的结构设计更利于工作台的微型化。因此，为克服以上缺点，研制具有高精度、无耦合、定位精确、驱动器固定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固定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：

驱动器固定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、Z向驱动单元、支撑杆、驱动支链、Z向支撑单元，其结构特点在于：所述基板中部设有贯通的空腔，所述空腔中部设有内工作台，所述内工作台的周边分别通过十字形均布的四个驱动支链连接着基板，且内工作台上表面、下底面的中心分别通过上下对称分布的驱动支链连接着Z向支撑单元和Z向驱动单元的内侧；所述Z向支撑单元与Z向驱动单元的顶部分别连接着Z向上框和Z向下框内侧中部；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，并与X轴方向的驱动支链中心对齐；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；与X+、Y+、Z-方向驱动支链外端对应的所述空腔、Z向驱动单元的侧壁上分别设有凹槽，所述凹槽共有三个，每个凹槽内分别设有电致伸缩器件，电致伸缩器件的一端顶紧驱动支链的外端，另一端顶在凹槽的侧壁上。

本发明驱动器固定的三维无耦合微位移工作台，其结构特点还在于：

所述驱动支链包括：空间柔性铰链杆、平面柔性铰链杆、驱动支座，其中：驱动支座为矩形板状，其内侧面与一组两根相互平行的空间柔性铰链杆的一端连接，两侧面分别对称连接着平面柔性铰链杆的一端，两侧的平面柔性铰链杆在同一直线上，且垂直于驱动支座内端的一组空间柔性铰链杆。

所述内工作台为正方形板状，每一侧面、上表面和下底面的中部分别连接着两根并列的空间柔性铰链杆的一端。

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，且不随工作台运动。

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，可实现一维、二维或三维无耦合微位移运动，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，且电致伸缩器件不随工作台运动，从而提高了工作台的定位精度，便于控制。

3、本发明工作台结构紧凑，便于微型化。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的爆炸视图。

图3为本发明X/Y向结构示意图。

图4为本发明Z向结构示意图。

图5为驱动支链结构示意图。