具体实施方式

本发明公开了一种低热耗散大行程精密压电陶瓷伺服旋转台，是一种具备低热耗散、精密角度传感、高分辨闭环控制和热形变自补偿的压电陶瓷旋转台，属于精密旋转控制领域和极低温测量领域。主要适用于对热耗散要求高的极低温环境中精密测量实验所需的样品以及实验装置的精确转动。

本发明设计具有无滑动摩擦、无电阻热、具有热形变自补偿、具有较高驱动效率和较高系统刚度的精密压电陶瓷旋转台，用于极低温环境的精密测量实验。

具体的，本发明公开了一种低热耗散压电陶瓷旋转台，包括机械放大结构、驱动装置、角度传感系统和总控系统，其中：

机械放大结构，包括两组互相垂直放置的全同子结构，相对的两个子结构组成一组，两组子结构通过静摩擦力交替搓动转轴，避免滑动摩擦，从而降低旋转产生的热耗散；

角度传感系统，包括由探测电极、输入电极、接地电极和输出电极构成的电容阻抗传感器，所述角度传感系统用于无热耗散高精度测量旋转角度，传递信号给控制系统以实现闭环控制；

总控制系统，包括用于测量电容传感器信号的测量系统、用于控制压电陶瓷堆电激励的压电陶瓷控制系统和作为总控制系统的输入和输出的计算机。

低耗散主要来源于三点：

1)避免滑动摩擦生热。本发明采用四个(两组)子结构，交替搓动转轴，只有静摩擦力(不做功不发热)。

2)放大子结构。与没有机械放大的结构相比，驱动相同距离的情况下所需电压更低，所以压电陶瓷的发热量更小。

3)采用了角度电容传感器，没有热耗散(相比于流行商用旋转台中的电阻式传感器等)。

其中，所述全同子结构包括由位于靠外圈位置的用于提供径向形变的径向放大结构、位于靠内圈位置的用于提供切向驱动的切向放大结构、连接内圈切向放大结构和机械放大结构框架的弹簧片、安装在放大结构内作为形变和动力来源的压电陶瓷堆和提供预应力的预紧片。

其中，所述径向放大结构的自由端与切向放大结构相连。

其中，所述径向放大结构包括两组柔性铰链和分别与柔性铰链连接的两组杠杆放大结构，其中，柔性铰链固定在压电陶瓷堆伸长方向的两个端面上，杠杆放大结构与压电陶瓷堆端面之间的夹角为π/2+θ，其中θ决定了机械放大倍率。

其中，所述径向放大结构的两组柔性铰链的扭转方向相反，其中一组的杠杆放大结构的自由端固定，因此另一组杠杆放大结构的位移量是压电陶瓷形变量的1/θ倍。

其中，所述切向放大结构包括两组柔性铰链、分别与柔性铰链连接的两组杠杆放大结构和传动框架；其中，柔性铰链固定在压电陶瓷的伸长方向的两个端面上。

其中，所述切向放大结构的两组柔性铰链的扭转方向相同，杠杆放大结构的自由端向同一方向位移，位移量是压电陶瓷位移量的1/2θ倍。

其中，所述传动框架位于切向放大结构的内侧，与两组杠杆放大结构的自由端相连，传动框架上镶嵌氧化铝片，用于与转轴进行摩擦传动。

其中，所述弹簧片位于由切向放大结构的外侧柔性铰链引出并连接至机械放大结构的外框架上，所述弹簧片用于提高系统刚度和热形变的自补偿效应。

其中，所述压电陶瓷旋转台的材料为钨铜合金；所述机械放大结构由一块钨铜合金用线切割慢走丝工艺加工而成。

为了克服现有压电陶瓷旋转台的摩擦发热、受温度形变影响较大、驱动效率较低以及碳膜电阻传感器的发热问题，本发明提出了一种无滑动摩擦传动和电容阻抗传感器的伺服压电陶瓷旋转台技术方案，其主要特征包括一个一体式机械放大结构和安装在其中并由预紧片预紧的四组压电陶瓷构成的驱动装置，和一个由安装在转轴上的探测电极与固定不动的输入电极、接地电极、输出电极构成的电容阻抗传感器构成的角度传感系统，以及由外部测量系统和压电陶瓷控制系统构成的总控系统。

旋转台的机械放大结构包括4组互相垂直放置的全同子结构，每个子结构包括：由位于靠外圈位置的负责提供径向形变的径向放大结构、位于靠内圈位置的负责提供切向驱动的切向放大结构、连接内圈切向放大结构和机械放大结构框架的弹簧片、安装在放大结构内作为形变和动力来源的压电陶瓷堆和提供预应力的预紧片、用于搓动转轴的氧化铝片。

径向放大结构由两组柔性铰链和与柔性铰链连接的杠杆放大结构构成。柔性铰链固定在压电陶瓷堆伸长方向的两个端面上，当压电陶瓷收缩时，柔性铰链向外扭转，杠杆放大结构的另一自由端向外扩张。杠杆结构与压电陶瓷堆端面之间的夹角为π/2+θ，其中θ为一很小角度。理想情况下当铰链外翻时，铰链的角度增加一个小量δ，杠杆放大结构的自由端将沿径向位移一个小的距离，利用三角函数的展开式，可以得出这段位移距离约等于压电陶瓷总收缩量的1/2θ倍。本发明中，两组柔性铰链的扭转方向相反，其中一组的杠杆放大结构的自由端固定，因此另一组杠杆放大结构的位移量理想情况下时压电陶瓷形变量的I/θ倍。径向放大结构的自由端与切向放大结构相连。

切向放大结构由两组柔性铰链和与柔性铰链连接的杠杆放大结构、传动框架构成。与径向放大结构相同的是，柔性铰链固定在压电陶瓷的伸长方向的端面上，与径向放大结构不同的是，柔性铰链的扭转方向相同。当压电陶瓷形变时，杠杆放大结构的自由端向同一方向位移，位移量在理想情况下时压电陶瓷位移量的1/2θ倍。传动框架位于切向放大结构的内侧，与两组杠杆放大结构的自由端相连，传动框架上镶嵌氧化铝片，用于与转轴进行摩擦传动。

每个子放大结构有两个从切向放大结构的外侧柔性铰链引出并连接至机械放大结构的外框架上的弹簧片。其作用是提高系统刚度和热形变的自补偿效应。机械放大结构由一块钨铜合金用线切割慢走丝工艺加工而成。

旋转台的材料使用钨铜合金，钨是所有金属单质中热膨胀系数最小，杨氏模量最大的金属之一，但是难于加工，使用钨铜合金在基本保留钨的上述特性之外使得材料更易于加工。此外，钨铜合金在极低温条件下也不超导，材料的物理性质能保持稳定。

电容阻抗传感器的结构包括：一个随转轴转动的探测电极、固定的输出、输入电极和接地电极、以及包围传感器的金属外壳。

电容传感器的基本原理：输入电极接数十千赫兹、电平为几个伏特的交流电，接地电极连接地线，输入电极和接地电极之间无连接，仅相隔一很小的距离，探测电极位于这两个电极上方很近的距离。当探测电极的投影与输入电极和接地电极重合时，输入电极和接地电极分别与探测电极组成平行板电容，电容的阻抗正比于投影的重合面积。设输入电极与探测电极之间的电容为C_i，探测电极与接地电极之间的电容为C_g，于是可知探测电极上的电平正比于C_i/(C_i+Cg)。于是在本发明中，探测电极与输入电极之间的投影重叠面积随转轴旋转线性增大，探测电极与接地电极之间的投影重叠面积随转轴旋转线性减小，使得探测电极上的电平随转轴旋转线性变换。为了避免直接在探测电极上引线，在输入电极同一平面设计有一输出电极，并使用输入阻抗很大的测量电路测量输入出电极。输出电极与探测电极的投影重叠面积不随转轴转动变化，那么随转轴转动时输出电极上的电平也正比于，即也随转轴转动线性变化。

旋转台的控制系统包括用于测量电容传感器信号的测量系统，用于控制压电陶瓷堆电激励的压电陶瓷控制系统，和作为总控制系统的输入和输出的计算机组成。计算机接收人工指令通过压电陶瓷控制系统驱动旋转台，同时通过测量系统读取电容传感器信号反馈于压电陶瓷控制，构成闭环伺服系统。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，低热耗散极低温超高真空用精密压电陶瓷伺服旋转台由转轴和台面1机械放大结构6和电容阻抗传感器、氧化铝片、预紧片、压电陶瓷组成。

其中电容阻抗传感器包括底座5，固定电极板4，探测电极板3，上盖2组成。

如图2所示，为旋转台机械放大结构视图和细部放大视图；其中，机械放大结构包括4组相同结构等距排列的自放大结构，包括径向放大结构11和其驱动压电陶瓷堆7，切向放大结构10和其驱动压电陶瓷堆8，弹簧片12，氧化铝片9和预紧片(图中隐去)组成。

所述旋转台转轴和台面1，材料优选为重量比80∶20的W/Cu。台面加工数个M3螺纹孔，转轴直径优选为5mm。旋转轴的长度从电容传感器上盖2开始一直延伸到机械放大结构6的底面。

所述的机械放大结构，尺寸优选为40mm×40mm×3.5mm，材料优选为重量比80∶20的W/Cu合金，由线切割慢走丝加工而成。机械放大结构的四角加工3.2mm尺寸的盲孔，用于固定。

所述的压电陶瓷堆7和8优选为长9mm，宽度与厚度均为3.5mm。

所述径向放大结构11，其铰链结构夹角优选为97.5°

所述切向放大结构10，其铰链结构夹角优选为94°

所述弹簧片12，其厚度优选为0.2mm，与切向放大结构10之间的夹角优选为

所述放大结构11和10的压电陶瓷安装位置长度优选为9.5mm，并通过在机械放大结构和压电陶瓷堆之间插入预紧片预紧。

切向放大结构10镶嵌氧化铝片9，并与转轴13接触。氧化铝片厚度比切向放大结构10和转轴13之间距离稍大，对其与转轴13的接触充分预紧。

所述电容传感器底座5，材料优选为无氧铜，其外形轮廓与机械放大结构6相同，四角在相同位置加工3.2mm盲孔，使得其能安装在机械放大结构的上侧。旋转台底座5的中心开5.5mm孔，台面上加工有内径165mm的圆形槽，槽内侧有4个等距分布的定位用凸角。槽的深度为0.5mm。

所述固定电极板4，由蓝宝石基片经紫外光刻定义电极尺寸，然后用电子束蒸发工艺镀金200nm，然后进行除胶。接着再用一次紫外光刻，定义中心为转轴通过的5.5mm直径预留孔和四角用于与旋转台底座5的圆心槽内凸角配合的定位缺口尺寸，然后经湿法刻蚀制成。最后除胶。

所述电容阻抗传感器上盖2，材料优选为无氧铜，外形轮廓与底座5相同，四角相同的位置开有3.2mm盲孔，上盖中心开5.5mm直径孔，上盖下侧面由内径165.2mm，厚度1mm深度0.7mm的圆形槽，用以与底座5的圆形槽配合，使其能将电容传感器的电极包围住，屏蔽外界电磁场干扰。

固定电极的电极尺寸和电容传感器的具体原理：

电容传感器的工作示意图如图3所示。其中17为输入电极，16为接地电极，14为输出电极，它们都制备在固定电极板4上。18为转轴的横截面。15为探测电极，它被制备在探测电极板3上，随转轴一起转动。

探测电极15与输入电极17、探测电极15与接地电极16、探测电极与输出电极14分别构成平板电容，整个电容阻抗传感器的等效电路如图4所示。

前文已经指出，如果要使探测电极15上的电平随角度转动线性变化，要使的面积线性变化，而面积不变。为了实现这一要求，输入电极17的内边界为直径6mm的圆，外边界满足方程接地电极的外边界为直径120mm，圆心角355°的圆弧，而内边界与输入电极的外边界径向距离2μm。探测电极为半径80mm，圆心角3°的扇形。假设当前探测电极已经转过α角的角度，由简单的微积分可知，探测电极与输入电极的面积投影重叠面积为24.5α+2.281(mm²)，即重叠面积与旋转角度始终成正比，又由于输入电极和接地电极的面积之和为一扇形，其与探测电极重叠面积之和为常数，可知探测电极上的分压随探测电极旋转角度成正比，且测量电路输入阻抗可视为无穷大，可知输出电极的电平等于探测电极的上分压，与转动角度成正比，于是测量输出电极的电压即可得到输出电极电压与旋转角度的线性关系，如图5所示。

需要注意的是，由于探测电极本身宽度不为0，且探测电极边缘的电场不能视为匀强电场，在转轴运动范围的两极的一小段范围内的面积将不是线性变化的(图5的虚线部分)，因此最终电容阻抗传感器的线性输出区间大约为5°至350°。

旋转台的驱动方式：将4组子放大结构按相正对为一组分为A，B两组。

初始状态下，4组子放大结构的压电陶瓷无形变，4组子放大结构将转轴压紧。

第一步，B组的径向放大结构在压电陶瓷驱动下收缩，B组子放大结构与转轴脱离接触。

第二步，A组的切向放大结构在压电陶瓷驱动下沿切向无滑动地驱动转轴。

第三步，B组的径向放大结构的取消收缩状态，恢复对转轴压紧的状态。

第四步，A组的径向放大结构在压电陶瓷驱动下收缩，A组子放大结构与转轴脱离接触。

第五步，A组的切向放大结构的压电陶瓷取消形变，A组的切向放大结构恢复未形变状态。与此同时，B组的切向放大结构在压电陶瓷驱动下沿切向无滑动地驱动转轴。

第六步，A组的径向放大结构的取消收缩状态，恢复对转轴压紧的状态。

第七步，B组的径向放大结构在压电陶瓷驱动下收缩，B组子放大结构与转轴脱离接触。

第八步，B组的切向放大结构的压电陶瓷取消形变，B组的切向放大结构恢复未形变状态。与此同时A组的切向放大结构在压电陶瓷驱动下沿切向无滑动地驱动转轴。

注意到第八步和第二步对应旋转台的同一状态，因此之和重复第二步(第八步)到第七步的过程，即可实现连续转动。与前述驱动描述中第二步至第七步循环运动对应的压电陶瓷堆的电压信号序列如图6所示，其中高电平均代表压电陶瓷形变，V_At为A组切向压电陶瓷驱动电压序列，V_Ar为A组径向压电陶瓷驱动电压序列，V_Bt为B组切向压电陶瓷驱动电压序列，V_Br为B组径向压电陶瓷驱动电压序列。

如图7所示为径向放大与切向放大子结构示意图，其工作原理相同。灰色部分为压电陶瓷，通过加高压可以改变长度而产生放大结构的输入位移，通常为1～10μm。压电陶瓷与两侧可以形变的金属薄片组成两个三角形，压电陶瓷长度改变会导致三角形钝角顶点发生移动，从而实现位移输出。其输出量由三角形的锐角角度θ决定，这个角度决定了 (当θ很小时)。

值得一提的是，本发明所包含的电容阻抗传感器的放大电路和压电陶瓷的控制系统以及压电陶瓷的具体选型等应被是为现有技术。这些技术的具体结构、工作原理采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，对此本发明专利不做进一步展开描述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。