[发明专利]一种压电陶瓷驱动的三自由度角度调节装置及调节方法

摘要

一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，由位于底部的Z方向偏转机构、以及安装在底部的X方向偏转机构、安装X方向偏转机构上的Y方向偏转机构和安装在偏转机构角度输出的偏转块上的载物台组成；Z方向偏转机构位于底部，由安装基板和两个带预紧的压电堆组成；Z方向偏转机构内的压电堆在大小和方向相同的电压下输出Z方向偏转；X方向偏转机构和Y方向偏转机构原理类似，包含偏转机构框架和一对压电堆，X方向偏转机构和Y方向偏转机构垂直安装，整体垂直于Z方向偏转机构平面；当某一偏转机构内的一对压电堆在差分电压作用下产生差分位移，并在柔性铰链的导向作用下使偏转块产生角位移输出；本发明由于三个轴独立驱动，无摩擦，可实现三自由度大范围、高精度调节。

主权项

一种基于压电陶瓷驱动的三自由度调节装置，其特征在于：包括依次连接的Z方向偏转机构(1)、X方向偏转机构(2)、Y方向偏转机构(3)和载物台(4)；所述Z方向偏转机构(1)位于XOY平面内，为装置的安装底座，X方向偏转机构(2)位于YOZ平面内，Y方向偏转机构(3)位于XOZ平面内；所述Z方向偏转机构(1)由安装基板(1‑1)、第一带预压力的压电堆作动器(1‑2)、第一Z方向偏转梁(1‑3)、第二带预压力的压电堆作动器(1‑4)、Z方向偏转块(1‑5)和第二Z方向偏转梁(1‑6)组成；所述安装基板(1‑1)分别与第一Z方向偏转梁(1‑3)和第二Z方向偏转梁(1‑6)通过柔性铰链连接；第一Z方向偏转梁(1‑3)和第二Z方向偏转梁(1‑6)与Z方向偏转块(1‑5)通过柔性铰链连接；Z方向偏转块(1‑5)无铰链的两侧为安装凹槽；第一带预压力的压电堆作动器(1‑2)和第二带预压力的压电堆作动器(1‑4)安装在安装基板(1‑1)内，一端嵌入安装基板(1‑1)内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第二Z方向偏转梁(1‑6)和第一Z方向偏转梁(1‑3)连接的槽内；所述X方向偏转机构(2)由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括形状为向上“凹”形的轴对称的金属框形成的基座(2‑1)，基座(2‑1)内部的凹槽用于与Y方向偏转机构(3)安装配合用，基座(2‑1)内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一X方向偏转梁(2‑3)和第二X方向偏转梁(2‑5)相连；第一X方向偏转梁(2‑3)和第二X方向偏转梁(2‑5)的内侧通过内侧柔性铰链与X方向偏转块(2‑4)相连；X方向偏转块(2‑4)为向下“凹”形的金属块，用于和Y方向偏转机构(3)中的Y方向偏转块安装配合用；基座(2‑1)的底部有两个突出的金属块，形成下凹安装槽(2‑8)，用于与Z方向偏转机构(1)上的Z方向偏转块(1‑5)的安装凹槽实现安装用；第一X方向偏转梁(2‑3)和第二X方向偏转梁(2‑5)靠近基座(2‑1)处的下端分别设置有用底部柔性铰链连接的金属帽，用于安装压电堆并起导向作用；第一X方向压电堆(2‑2)和第二X方向压电堆(2‑6)下端安装在基座(2‑1)上，上端通过金属帽与第一X方向偏转梁(2‑3)和第二X方向偏转梁(2‑5)相连；所述Y方向偏转机构(3)由整块金属切割成的框架和两个压电堆组成；包括刚性基座(3‑1)，刚性基座(3‑1)底部有一个凹槽用于和X方向偏转机构(2)的底部凹槽实现定位配合，所述Y方向偏转机构(3)和X方向偏转机构(2)垂直安装，并通过加工尺寸来保证配合；刚性基座(3‑1)内侧顶部两端通过外侧柔性铰链与第一Y方向偏转梁(3‑3)和第二Y方向偏转梁(3‑5)相连接；第一Y方向偏转梁(3‑3)和第二Y方向偏转梁(3‑5)靠近刚性基座(3‑1)处的端通过底部柔性铰链与压电堆安装帽相连接；第一Y方向偏转梁(3‑3)和第二Y方向偏转梁(3‑5)的内侧通过内侧柔性铰链与Y方向偏转块(3‑4)连接；Y方向偏转块(3‑4)为上表面带有凹槽的金属块，凹槽用于和X方向偏转块(2‑4)安装配合；第一Y方向压电堆(3‑2)和第二Y方向压电堆(3‑6)下端安装在刚性基座(3‑1)上，上端分别安装在第一Y方向偏转梁(3‑3)和第二Y方向偏转梁(3‑5)压电堆安装帽上；所述载物台(4)上表面为物体安装平面，形状根据对象设定；底部为X、Y双向的凹槽分别用于与X方向偏转块(2‑4)和Y方向偏转块(3‑4)相连，安装后的X方向偏转块(2‑4)与Y方向偏转块(3‑4)成为一个整体。