阅读说明：本技术 纳米级精度压电驱动线性位移台 (Nano-precision piezoelectric drive linear displacement platform ) 是由 徐金林 许智 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米级精度压电驱动线性位移台,其包括基体、滑轨、驱动座、柔性质量块、压电驱动单元、位置传感器单元和粘滑摩擦组件。柔性质量块和压电驱动单元之间通过球面触头和球形凹面相配合,具有自定位功能,能有效保证受力点不偏离,降低了对于加工精度和装配精度的要求,而且相对传统点接触或平面接触方式增大了接触面积,延长使用寿命；柔性质量块上的平板桥梁部具有弹性功能,能接受一定的形变,有效消除了安装误差对平面接触的影响。另外本发明的整体结构简单、紧凑,体积小巧,采用粘滑方式驱动滑轨,无上下摩擦,只存在粘滑运动中的单一摩擦,有效减小了动力损耗及对其他零部件要求,工作稳定性好,适用范围广。(The invention discloses a nanoscale precision piezoelectric driving linear displacement platform which comprises a base body, a sliding rail, a driving seat, a flexible mass block, a piezoelectric driving unit, a position sensor unit and a stick-slip friction assembly. The flexible mass block is matched with the piezoelectric driving unit through the spherical contact and the spherical concave surface, so that the piezoelectric driving unit has a self-positioning function, can effectively ensure that a stress point does not deviate, reduces the requirements on processing precision and assembly precision, increases the contact area compared with the traditional point contact or plane contact mode, and prolongs the service life; the flat bridge part on the flexible mass block has an elastic function, can accept certain deformation, and effectively eliminates the influence of installation errors on plane contact. In addition, the invention has simple and compact integral structure and small volume, adopts a stick-slip mode to drive the slide rail, has no up-down friction, only has single friction in stick-slip motion, effectively reduces power loss and requirements on other parts, and has good working stability and wide application range.)

纳米级精度压电驱动线性位移台

技术领域

本发明涉及纳米级精度位移台技术领域，具体涉及一种纳米级精度压电驱动线性位移台。

背景技术

随着技术的不断发展与更新，微观尺寸上的精密操作需求日益增长，基于压电原理的纳米微驱技术因此得到了大力发展，目前已广泛运用到医学、科研、航天、生产制造等各个高精尖领域，为人类在微观领域上的实验研究以及产品制造提供了有力的技术支撑。

压电陶瓷驱动作为微观操作领域上的基本驱动方式，其利用的是压电陶瓷的逆压电效应，通过给压电陶瓷施加一个电场，使其在电场作用下产生一个微小的膨胀，其膨胀尺度通过精确控制电场可达亚纳米尺度，膨胀力大，响应快。相对于其他类跨尺度运动驱动方式，粘滑驱动的驱动控制及原理简单、方便，且具有高分辨率、大行程、结构简单、精确定位、负载大和易微型化等优点。

在目前，现有的粘滑驱动结构方式，其体积较大，部分结构相对复杂，在微型化方面还存在很大改善空间；此外，预紧调整方式也存在很大不同，一般存在上下摩擦，其预压接触面与摩擦件之间在工作时一般有相对滑动，对零部件的耐磨性产生了要求，对粘滑运动也产生了额外的功率损耗；而且在装配过程中并不能保证很好的贴合，容易形成点接触，故而在长时间使用过程中，摩擦面会出现磨损或凹坑，影响使用精度和寿命。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，配合效果好，工作精度高，使用寿命长的纳米级精度压电驱动线性位移台。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种纳米级精度压电驱动线性位移台，其包括基体、通过滑动组件活动设置在该基体上的滑轨、驱动座、柔性质量块、压电驱动单元、位置传感器单元和粘滑摩擦组件，所述驱动座设置在所述基体内，所述驱动座上设有装配腔，所述柔性质量块和压电驱动单元依次排列设置在装配腔内，该柔性质量块朝向压电驱动单元的侧面上设有球形凹面，并在所述压电驱动单元上设有能顶压在该球形凹面上的球面触头，通过该球面触头和球形凹面相配合，相对传统点接触或平面接触方式大大增大了接触面积，在压电驱动单元长时间工作下，使得柔性质量块不容易被球面触头在高频变作用力或微小撞击下产生微小凹坑，影响微观位移的稳定性，同时，球面贴合接触带有自定位功能，能有效的保证柔性铰链的受力点不偏离，提升工作精度。所述柔性质量块上设有与所述压电驱动单元的驱动方向相垂直的方形开槽，该方形开槽靠近球形凹面一侧设有方块凸起，从而形成两个平板柔性铰链；方形开槽是为了形成两个平板柔性铰链，该平板柔性铰链具有导向及弹性功能，为粘滑运动组成关键部位。方块凸起是为了增强后侧壁的结构强度，同时控制后侧壁上平板柔性铰链的长度。所述柔性质量块对应方形开槽的上方位置设有与所述压电驱动单元的驱动方向相一致的通槽使所述柔性质量块的顶部形成平板桥梁部，平板桥梁部具有弹性功能，能接受一定的形变，所述平板桥梁部通过粘滑摩擦组件与所述滑轨相连接，所述位置传感器单元设置在基体和滑轨之间位置。

作为本发明的一种改进，所述球面触头通过环氧树脂固定在所述压电驱动单元朝向所述柔性质量块的驱动面上，实现刚性连接，连接效果好。

作为本发明的一种改进，所述压电驱动单元的另一驱动面与装配腔内壁之间设有绝缘陶瓷片。所述压电驱动单元具体为压电陶瓷。所述绝缘陶瓷片具有绝缘功能，且硬度高，刚性好，同时起来垫片功能及绝缘功能，有效减小了在金属材质的驱动座上由于金属表面未绝缘或绝缘面层厚度不够导致压电陶瓷漏电短路的可能性，提高了压电陶瓷的使用寿命及可靠性。

作为本发明的一种改进，所述驱动座上设有顶在所述柔性质量块使球形凹面与球面触头紧密接触的预压螺丝。通过适当拧动预压螺丝，能保证安装时柔性质量块的球形凹面与球面触头紧密贴合，并产生防松预紧力，配合效果好。

作为本发明的一种改进，所述驱动座的外侧壁上设有灌胶凹槽，对应灌胶凹槽的内侧位置设有将驱动座贯穿的导向通槽，通过导向通槽形成只能单自由度上下运动的导向铰链。基体上设有用来安装所述驱动座的驱动腔，驱动座位于该驱动腔内，然后通过灌胶凹槽进行灌胶填充，提升配合的紧密性，有效限定驱动座的前后移动位置。

作为本发明的一种改进，所述粘滑摩擦组件包括上耐磨片和下耐磨片，所述上耐磨片固定在所述滑轨的底面，所述下耐磨片固定在所述平板桥梁部上。通过上耐磨片和下耐磨片相配合，耐磨效果好，延长使用寿命。

作为本发明的一种改进，所述平板桥梁部的上表面上设有与所述下耐磨片的外形轮廓相适配的限位凹槽，方便快速安装下耐磨片，给装配工作带来方便，并通过间隙配合给下耐磨片自适应调节位置留下了足够的空间。

作为本发明的一种改进，所述位置传感器单元包括编码器及线性尺，该线性尺设置在所述滑轨的底面，所述编码器对应线性尺的位置设置在基体上。通过编码器感应线性尺的移动位置，然后输出精确位置信号。

作为本发明的一种改进，所述基体的底部对应所述柔性质量块的位置设有能顶压在所述驱动座底面的预紧螺丝。在拧动预紧螺丝时，能实现推动驱动座往上移动，柔性质量块上的平板桥梁部受位移影响，产生更大形变，增大了上、下耐磨片的正压力，实现了摩擦件间摩檫力的范围调节。

作为本发明的一种改进，所述滑动组件包括滚子保持架和相互交叉排列设置在该滚子保持架上的圆柱滚子。可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。

本发明的有益效果为：本发明的结构设计巧妙、合理，所述柔性质量块和压电驱动单元之间通过球面触头和球形凹面相配合，不仅具有自定位功能，能有效的保证受力点不偏离，在提高工作精度的同时，也降低了对于加工精度和装配精度的要求，而且相对传统点接触或平面接触方式大大增大了接触面积，使得柔性质量块不容易被球面触头在高频变作用力或微小撞击下产生微小凹坑，避免影响微观位移的稳定性，确保工作稳定性；柔性质量块上的平板桥梁部具有弹性功能，能接受一定的形变，使得上、下耐磨片实现较好的平面接触，消除了安装误差对平面接触的影响，同时可以减小因上、下耐磨片的加工精度产生平面度误差所造成运动时的接触位置漂移和正压力跳跃变化的影响，具有一定的自适应性。另外本发明的整体结构简单、紧凑，体积小巧，采用粘滑方式驱动滑轨，无上下摩擦，只存在粘滑运动中的单一摩擦，有效减小了动力损耗及对其他零部件要求，易于实现，工作稳定性好，使用寿命长，利于广泛推广应用。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的剖视结构示意图。

图3是本发明的分解结构示意图。

图4是本发明中驱动座的结构示意图。

图5是本发明中柔性质量块的立体结构示意图。

图6是本发明中柔性质量块的剖视结构示意图。

具体实施方式

参见图1至图6，本实施例提供的一种纳米级精度压电驱动线性位移台，其包括基体1、通过滑动组件2活动设置在该基体1上的滑轨3、驱动座4、柔性质量块5、压电驱动单元6、位置传感器单元7和粘滑摩擦组件8。所述粘滑摩擦组件8包括上耐磨片81和下耐磨片82。

所述驱动座4设置在所述基体1内，具体的，所述基体1上设有用来安装所述驱动座4的驱动腔101，驱动座4位于该驱动腔101内，在所述驱动座4的外侧壁上设有灌胶凹槽41，对应灌胶凹槽41的内侧位置设有将驱动座4贯穿的导向通槽42，通过导向通槽42形成只能单自由度上下运动的导向铰链。对灌胶凹槽41进行灌胶填充，提升驱动座4与驱动腔101内壁配合的紧密性，有效限制了驱动座4整体前后移动，支持其上下微位移。所述基体1的底部对应所述柔性质量块5的位置设有能顶压在所述驱动座4底面的预紧螺丝11。在拧动预紧螺丝11的旋转角度，能实现推动驱动座4往上移动，柔性质量块5上的平板桥梁部52受位移影响，产生更大形变，增大了上耐磨片81、下耐磨片82的正压力，实现了摩擦件间摩檫力的范围调节。

所述驱动座4上设有装配腔43，所述柔性质量块5和压电驱动单元6依次排列设置在装配腔43内，柔性质量块5底面为平面，并通过环氧树脂与驱动座4刚性连接。

所述柔性质量块5朝向压电驱动单元6的侧面上设有球形凹面51，并在所述压电驱动单元6上设有能顶压在该球形凹面51上的球面触头9，所述球面触头9通过环氧树脂固定在所述压电驱动单元6朝向所述柔性质量块5的驱动面上，实现刚性连接，连接效果好。工作时，通过该球面触头9和球形凹面51相配合，相对传统点接触或平面接触方式大大增大了接触面积，在压电驱动单元6长时间工作下，使得柔性质量块5不容易被球面触头9在高频变作用力或微小撞击下产生微小凹坑，影响微观位移的稳定性，同时，球面贴合接触带有自定位功能，能有效的保证柔性铰链的受力点不偏离，提升工作精度。

较佳的，在所述驱动座4上设有顶在所述柔性质量块5使球形凹面51与球面触头9紧密接触的预压螺丝10。具体的，驱动座4的前侧向上凸起形成前挡部，该前挡部上设有与所述预压螺丝10相适配的螺纹孔44，预压螺丝10拧入螺纹孔44并顶压在柔性质量块5的前侧壁上，通过适当拧动预压螺丝10，能保证安装时柔性质量块5的球形凹面51与球面触头9的紧密贴合，并产生防松预紧力，配合效果好。

所述压电驱动单元6的另一驱动面与装配腔43内壁之间设有绝缘陶瓷片12。所述压电驱动单元6具体为压电陶瓷。所述绝缘陶瓷片12具有绝缘功能，且硬度高，刚性好，同时起到垫片功能及绝缘功能，有效减小了在金属材质的驱动座4上由于金属表面未绝缘或绝缘面层厚度不够导致压电陶瓷漏电短路的可能性，提高了压电陶瓷的使用寿命及可靠性。

所述柔性质量块5上设有与所述压电驱动单元6的驱动方向相垂直的方形开槽53，从而形成两个平板柔性铰链，该平板柔性铰链具有导向及弹性功能，为粘滑运动组成关键部位。在方形开槽53靠近球形凹面51一侧设有方块凸起54，能增强后侧壁的结构强度，并控制后侧壁上平板柔性铰链的长度。所述柔性质量块5对应方形开槽53的上方位置设有与所述压电驱动单元6的驱动方向相一致的通槽55使所述柔性质量块5的顶部形成所述的平板桥梁部52，平板桥梁部52具有弹性功能，能接受一定的形变，所述平板桥梁部52通过粘滑摩擦组件8与所述滑轨3相连接。具体的，所述粘滑摩擦组件8包括上耐磨片81和下耐磨片82，所述上耐磨片81通过环氧树脂刚性固定在所述滑轨3的底面，所述下耐磨片82固定在所述平板桥梁部52上。本实施例中，所述上耐磨片81优选为蓝宝石圆片；所述下耐磨片82优选为蓝宝石方片；选用蓝宝石，耐磨效果好，使用寿命长。其它实施例中，该上耐磨片81和下耐磨片82也可以采用其它材质以及其它形状的耐磨片。在所述平板桥梁部52的上表面上设有与所述下耐磨片82的外形轮廓相适配的限位凹槽56，下耐磨片82与限位凹槽56之间优选为间隙配合，即限位凹槽56的内腔尺寸略大于下耐磨片82的外形尺寸，给上耐磨片81的自适应位置调节预留了足够的空间，上耐磨片81松弛的安装在限位凹槽56内，然后通过环氧树脂将其刚性固定。

所述位置传感器单元7设置在基体1和滑轨3之间位置。具体的，所述位置传感器单元7包括编码器71及线性尺72，该线性尺72设置在所述滑轨3的底面，所述编码器71对应线性尺72的位置设置在基体1上。通过编码器71感应线性尺72的移动位置，然后输出精确位置信号。

本实施例中，所述滑动组件2优选为交叉滚子组件，可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。具体的，交叉滚子组件包括滚子保持架和相互交叉排列设置在该滚子保持架上的圆柱滚子。交叉滚子组件和滑轨3组装后，形成交叉滚子导轨，可以直接在市面上购买。

工作时，采用粘滑方式驱动滑轨3，无上下摩擦，只存在粘滑运动中的单一摩擦，有效减小了动力损耗及对其他零部件要求，工作稳定性好，使用寿命长。而且所述柔性质量块5和压电驱动单元6之间通过球面触头9和球形凹面51相配合，具有自定位功能，能有效的保证受力点不偏离，在提高工作精度的同时，也降低了对于加工精度和装配精度的要求，而且相对传统点接触或平面接触方式大大增大了接触面积，使得柔性质量块5不容易被球面触头9在高频变作用力或微小撞击下产生微小凹坑，避免影响微观位移的稳定性，确保工作稳定性。另外，所述柔性质量块5上的平板桥梁部52具有弹性功能，能接受一定的形变，使得上耐磨片81和下耐磨片82实现较好的平面接触，消除了安装误差对平面接触的影响；同时，上耐磨片81和下耐磨片82由于加工精度产生平面度误差所造成运动时的接触位置漂移，使得正压力出现大的跳跃，通过平板桥梁部52的微变形可减小其影响，具有一定的自适应性。本发明纳米级精度压电驱动线性位移台可在真空下进行微纳操作，且相比电机驱动，纳米位移台电流小，发热小，不产生电磁场，对于操作要求极高的领域，其具有较大的优势，可应用于科研、半导体、生物医药、先进制造、光学/通信、航天等各个高精尖领域。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的结构而得到的其它位移台，均在本发明保护范围内。