二维微动装置的制作方法

本实用新型涉及微机械技术领域，尤其涉及一种二维微动装置。

背景技术：

在科学研究以及超精密机械操作中，往往需要实现纳米级精密可控的移动，并且保证微动台体积与质量足够小以节省设备的安装空间。滑轨齿轮等方式均不能满足要求。1880年，居里兄弟首先发现了压电效应，1881年，又实验验证了逆压电效应，在压电陶瓷被发现之后，压电材料的应用得到了极大地发展。压电陶瓷的正压电性是指在机械外力作用下，压电陶瓷的两端在压力下出现放电现象，拉力下出现充电现象的效应。而其逆压电效应则相反，当在压电陶瓷上加入外电场时，压电陶瓷产生形变，若电场方向与自发极化方向相同，则极化强度的增大使压电陶瓷沿极化方向伸长，反之，则会缩短。人们很快发现可以使用这种压电陶瓷的逆压电效应代替传统的滑轨齿轮等实现纳米级的精密移动。并且，使用压电陶瓷进行驱动的方法不但移动的精密性可以保证，可使用的工作环境也大大地拓展，包括高真空，超高真空，极低温，强磁场等等。压电驱动微动台可以实现纳米级的精确移动，且可以在极低温，超高真空，强磁场等极端环境下正常工作，在科研，精密仪器等领域有着十分广泛的应用。

使用压电陶瓷驱动的微动台的关键主要有以下几个方面：由一维运动至多维运动的改进；准直性的保证；压电陶瓷与所驱动零件之间的压紧连接；装置体积与可移动距离的最大优化配比。压电陶瓷材料由于逆压电效应产生的形变只沿自发极化的一个方向，因此，使用压电陶瓷驱动二维移动需要结构上对压电陶瓷进行有效的组合。准直性要求上，微动台对移动精度的要求是纳米级的，不仅体现在每一步的移动距离上，同样体现在移动方向上，保证装置沿预定方向以纳米级的误差移动也是必须的。压电陶瓷与驱动零件之间的连接问题在于压电陶瓷工作时，陶瓷与被驱动零件之间必须有一弹性的压力或者吸力，既保证被驱动零件可以随着压电陶瓷移动，也保证连接的非刚性使压电陶瓷有发生形变的空间。在装置体积的要求上，设计方案应追求移动距离与装置体积的最优化，在不改变装置移动距离的前提下减小体积以提高装置性能。

传统中的压电驱动二维微动装置的设计方案，是将两块压电陶瓷按照加入外电场后形变方向相互垂直的方式粘贴在一起做成一组，这一组压电陶瓷即可同时实现x方向与y方向的形变，利用成组的压电陶瓷驱动零件进行二维平面上的移动。在这种设计中，利用一层零件直接进行二维的移动，而不需要借助两层分别移动的方式，简化了设计并容易做到较小的体积。但这种方法的缺点也十分明显，由于每组压电陶瓷均粘在相互平行的水平面内，整个装置没有任何的限位装置保证每个方向移动的准直性。这种压电驱动二维微动装置使用过程中，零件移动方向偏离约定轨道且不可控也不可预知，从而造成了准直性差，使得该装置只能够在较短移动距离下使用，长距离使用是不可取的。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种既具有较小的体积，又具有较高的准直性的二维微动装置。

一种二维微动装置，包括：

压力施加装置，所述压力施加装置具有弹性部；

第一移动台，所述第一移动台具有沿着第一方向延伸的两个第一压电陶瓷接触面，所述两个第一压电陶瓷接触面形成一个第一夹角，所述第一移动台与所述弹性部接触；

第二移动台，所述第二移动台具有沿着第二方向延伸的两个第二压电陶瓷接触面以及第一支撑部用于承载所述第一移动台，所述两个第二压电陶瓷接触面形成一个第二夹角，所述第一支撑部与所述两个第一压电陶瓷接触面之间设置有驱动方向为所述第一方向的第一压电陶瓷组，所述第二方向与所述第一方向垂直；

支撑底座，所述支撑底座与所述压力施加装置间隔设置，所述压力施加装置与所述支撑底座将所述第一移动台与所述第二移动台压合，所述支撑底座具有第二支撑部用于支撑所述第二移动台，所述第二支撑部与所述两个第二压电陶瓷接触面之间设置有驱动方向为所述第二方向第二压电陶瓷组。

在其中一个实施例中，所述第一移动台进一步包括与所述弹性部接触的压力承载面，所述压力承载面的延伸面与所述第一压电陶瓷接触面的延伸面相交。

在其中一个实施例中，所述第一支撑部沿着所述第一方向延伸，并且具有分别与所述两个第一压电陶瓷接触面间隔平行的两个第一支撑面，所述第一压电陶瓷组设置于所述两个第一压电陶瓷接触面与所述两个第一支撑面之间。

在其中一个实施例中，所述第一压电陶瓷组包括驱动方向为所述第一方向的多个第一压电陶瓷片，所述多个第一压电陶瓷片间隔设置于所述两个第一压电陶瓷接触面与所述两个第一支撑面之间。

在其中一个实施例中，所述第二支撑部沿着所述第二方向延伸，并且具有分别与所述两个第二压电陶瓷接触面间隔平行的两个第二支撑面，所述第二压电陶瓷组设置于所述两个第二压电陶瓷接触面与所述两个第二支撑面之间。

在其中一个实施例中，所述第二压电陶瓷组包括驱动方向为所述第二方向的多个第二压电陶瓷片，所述多个第二压电陶瓷片间隔设置于所述两个第一压电陶瓷接触面与所述两个第一支撑面之间。

在其中一个实施例中，进一步包括固定装置，所述固定装置将所述压力施加装置与所述支撑底座固定在一起。

在其中一个实施例中，所述第一夹角大于0度小于180度，所述第二夹角大于0度小于180度。

在其中一个实施例中，进一步包括驱动装置用于驱动所述第一压电陶瓷组和所述第二压电陶瓷组。

在其中一个实施例中，进一步包括两个第一摩擦片与两个第二摩擦片，所述两个第一摩擦片分别设置在所述第一压电陶瓷组和所述两个第一压电陶瓷接触面之间，所述两个第二摩擦片分别设置在所述第二压电陶瓷组和所述两个第二压电陶瓷接触面之间。

本实用新型提供的二维微动装置，通过压力施加装置与支撑底座来向所述第一移动台和所述第二移动台施加垂直于第一方向和第二方向的力，与具有第一夹角的所述两个第一压电陶瓷接触面，和具有第二夹角的所述两个第二压电陶瓷接触面配合工作，提高了二维微动装置的准直性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的二维微动装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中的二维微动装置的第一移动台和第二移动台的安装关系示意图；

图3为本实用新型实施例中的二维微动装置限位原理示意图；

图4为本实用新型实施例中的二维微动装置驱动电压的电压波形图。

元件符号说明

二维微动装置 10

第一方向组件 100

压力施加装置 110

弹性部 112

第一移动台 120

第一压电陶瓷接触面 122

压力承载面 121

第二移动台 130

第二压电陶瓷接触面 132

第一支撑部 137

第一支撑面 135

第一压电陶瓷组 140

第一压电陶瓷片 142

支撑底座 150

第二支撑部 157

第二支撑面 155

第二压电陶瓷组 160

第二压电陶瓷片 162

固定装置 170

第一摩擦片 124

第二摩擦片 134

第二方向组件 200

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的二维微动装置进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参见图1-2，本实用新型实施例提供一种二维微动装置10，包括依次设置的压力施加装置110、第一方向组件100、第二方向组件200以及支撑底座150。所述第一方向组件100包括第一移动台120、第一支撑部137以及第一压电陶瓷组140。所述第二方向组件200包括第二移动台130、第二支撑部157以及第二压电陶瓷组160。所述支撑底座150与所述压力施加装置110间隔相对设置。所述压力施加装置110与所述支撑底座150通过弹性压力将所述第一移动台120与所述第二移动台130压合。所述第一压电陶瓷组140驱动所述第一移动台120沿第一方向往复运动。所述第二压电陶瓷组160驱动所述第二移动台130沿第二方向往复运动，所述第二方向与第一方向垂直。

所述第一移动台120和所述第二移动台130层叠设置在所述压力施加装置110与所述支撑底座150之间的。所述第一移动台120沿着第一方向延伸。所述第二移动台130沿着第二方向延伸。使用时，可以把物体固定安装在所述第一移动台120上，所述二维微动装置10可以在两个相互垂直的方向上实现对物体的移动，也就是实现了二维移动。

所述压力施加装置110用于给所述第一移动台120和所述第二移动台130施加垂直于所述第一方向和所述第二方向的压力。可以理解，以空间直角坐标系为例。若所述第一方向为x轴、所述第二方向为y轴，那么所述压力施加装置110给所述第一移动台120和所述第二移动台130施加的力的方向为z轴。所述压力施加装置110具有一个主体，以及设置于该主体的弹性部112。所述弹性部112可以用来调节所述压力的大小。可以理解，所述弹性部112的结构不限，可以是各种提供弹性力的装置。在一个实施例中，所述弹性部112为弹簧。在一个实施例中，所述压力施加装置110为平板结构，并且可以具有安装孔，从而可以与所述支撑底座150安装固定。并且还可以通过调节所述压力施加装置110与所述支撑底座150之间的距离来调整所述弹性部112提供的压力的大小。可以理解，所述压力施加装置110与所述弹性部112的材料与所述二维微动装置10使用的环境有关，当用于高温环境时，可以采用具有较高熔点的金属材料制成。

所述第一移动台120用于实现在所述第一方向上的移动，可以把需要移动的物体固定在所述第一移动台120上，从而可以实现在第一方向上的移动。所述第一移动台120与所述弹性部112接触。所述弹性部112可以将压力施加给所述第一移动台120。所述第一移动台120具有沿着所述第一方向延伸的两个第一压电陶瓷接触面122。所述两个第一压电陶瓷接触面122形成一个第一夹角。所述第一夹角大于0度小于180度。所述两个第一压电陶瓷接触面122可以为三棱柱的两个侧面，也可以为多棱柱的两个侧面。只要所述两个第一压电陶瓷接触面122不相互平行即可。在一个实施例中，所述第一移动台120进一步包括与所述弹性部112接触的压力承载面121，所述压力承载面121的延伸面与所述两个第一压电陶瓷接触面122的延伸面相交。优选地，所述压力承载面121平行与所述第一方向和所述第二方向共同确定的平面。在一个实施例中，所述第一移动台120的切面为等腰梯形。所述两个第一压电陶瓷接触面122的切面为所述等腰梯形的两个侧边。所述压力承载面121的切面为所述等腰梯形的底边。

所述第二移动台130用于实现在所述第二方向上的移动。所述第二移动台130具有沿着所述第二方向延伸的两个第二压电陶瓷接触面132，以及第一支撑部137。所述两个第二压电陶瓷接触面132形成一个第二夹角。所述第二夹角大于0度小于180度。在一个实施例中，所述第二移动台130的切面为等腰梯形。所述两个第二压电陶瓷接触面132的切面为所述等腰梯形的两个侧边。

所述第一支撑部137用于承载所述第一移动台120。所述第一支撑部137与所述两个第一压电陶瓷接触面122之间设置有驱动方向为所述第一方向的第一压电陶瓷组140。所述第二移动台130通过所述第一支撑部137可以给所述第一移动台120提供支撑。由于所述第一压电陶瓷组140的驱动方向为所述第一方向，所述第一压电陶瓷组140可以驱动所述第一移动台120沿着所述第一方向移动。在一个实施例中，所述第一支撑部137沿着所述第一方向延伸，并且具有分别与所述两个第一压电陶瓷接触面122间隔平行的两个第一支撑面135。所述第一压电陶瓷组140设置于所述两个第一压电陶瓷接触面122与所述两个第一支撑面135之间。所述第一压电陶瓷组140可以通过胶粘结在所述第一支撑面135上，所述第一压电陶瓷组140与所述第一压电陶瓷接触面122之间在压力作用下贴合。

所述第一压电陶瓷组140为多个压电陶瓷片成对设置构成。可以理解，所述第一压电陶瓷组140中的压电陶瓷片的数量不限，可以根据实际需要设置。在一个实施例中，所述第一压电陶瓷组140包括驱动方向为所述第一方向的多个第一压电陶瓷片142。所述多个第一压电陶瓷片142间隔设置于所述两个第一压电陶瓷接触面122与所述两个第一支撑面135之间。由于所述第一压电陶瓷片142的驱动方向是所述第一方向，当给所述多个第一压电陶瓷片142输入脉冲电压时，所述多个第一压电陶瓷片142就会驱动所述第一移动台110沿着所述第一方向移动。

所述支撑底座150与所述压力施加装置110间隔设置。所述压力施加装置110与所述支撑底座150可以通过固定的方式将所述第一移动台120与所述第二移动台130压合。所述支撑底座150具有用于支撑所述第二移动台130的第二支撑部157。所述第二支撑部157与所述两个第二压电陶瓷接触面132之间设置有驱动方向为所述第二方向的第二压电陶瓷组160。由于所述第二压电陶瓷组160的驱动方向为所述第二方向，所述第二压电陶瓷组160可以驱动所述二移动台130沿着所述第二方向移动。从而所述第二移动台130可以带着所述第一移动台120在所述第二方向上移动。通过所述第一移动台120与所述第二移动台130分别在所述第一方向和所述第二方向移动，所述二维微动装置10实现了在两个维度上(第一方向和第二方向)的移动。在一个实施例中，所述第二支撑部157沿着所述第二方向延伸，并且具有分别与所述两个第二压电陶瓷接触面132间隔平行的两个第二支撑面155。所述第二压电陶瓷组160设置于所述两个第二压电陶瓷接触面132与所述两个第二支撑面155之间。所述第二压电陶瓷组160可以通过胶粘结在所述第二支撑面155上，所述第二压电陶瓷组160与所述第二压电陶瓷接触面132之间在压力作用下贴合。

所述第二压电陶瓷组160为多个压电陶瓷片成对设置构成。可以理解，所述第二压电陶瓷组160中的压电陶瓷片的数量不限制，可以根据实际需要设置。在一个实施例中，所述第二压电陶瓷组160包括驱动方向为所述第二方向的多个第二压电陶瓷片162。所述多个第二压电陶瓷片162间隔设置于所述两个第二压电陶瓷接触面132与所述两个第二支撑面155之间。由于所述第二压电陶瓷片162的驱动方向是所述第二方向，当给所述多个第二压电陶瓷片162输入脉冲电压时，所述多个第二压电陶瓷片162就会驱动所述二移动台130沿着所述第第二方向移动。

在一个实施例中，所述二维微动装置10还可以进一步包括固定装置170，所述固定装置170将所述压力施加装置110与所述支撑底座150固定在一起。可以理解，所述固定装置170的结构不限，可以是各种固定结构。所述压力施加装置110与所述支撑底座150相互间隔设置，所述第一移动台120与所述第二移动台130设置在所述压力施加装置110与所述支撑底座150之间。所述压力施加装置110的弹性部112可以施加垂直于所述第一方向和所述第二方向的弹性力给所述第一移动台120和所述第二移动台130。在一个实施例中，所述固定装置170包括多个安装固定杆，将所述固定装置170将所述压力施加装置110与所述支撑底座150固定。

本实用新型的二维微动装置10，所述第一移动台120具有两个具有第一夹角的第一压电陶瓷接触面122。所述第一压电陶瓷组140作用在所述两个第一压电陶瓷接触面122上的压力也具有一个夹角，从而提高了所述第一移动台120在所述第一方向上移动的准直性。另外，基于相同的理由，所述第二移动在130在所述第二方向上移动的准直性也比较高。因此，相对与传统方案，本实用新型的二维微动装置10在二维移动上具有较高的准直性。

在一个实施例中，所述二维微动装置10还可以进一步包括两个第一摩擦片124与两个第二摩擦片134。所述两个第一摩擦片124分别设置在所述第一压电陶瓷组140和所述两个第一压电陶瓷接触面122之间。所述两个第二摩擦片134分别设置在所述第二压电陶瓷组160和所述两个第二压电陶瓷接触面132之间。具体地，所述第一摩擦片124可以用胶固定在所述第一压电陶瓷接触面122。所述第二摩擦片134可以用胶固定在所述第二压电陶瓷接触面132。所述第一摩擦片124和所述第二摩擦片134用于减小摩擦，在一个实施例中，所述第一摩擦片124和所述第二摩擦片134均为蓝宝石片。

在一个实施例中，所述二维微动装置10还可以包括驱动装置，用于给所述第一压电陶瓷组140和所述第二压电陶瓷组160输入驱动电压。所述驱动装置可以是各种能够提供驱动电压的设备。

请参见图3，以所述第一移动台120在所述第一方向的移动为例，说明本实用新型的二维微动装置10的工作过程。所述二维微动装置10使用时，沿所述第一方向的驱动过程如下：通过驱动装置在所述第一压电陶瓷组140上加入如图3所示的连续高频的电压脉冲。加在所述第一压电陶瓷组140上的电压缓慢上升至设定值后瞬间下降。在电压缓慢上升的过程中，第一压电陶瓷组140中的压电陶瓷形变发生缓慢，所述第一压电陶瓷组140靠着与所述第一压电陶瓷接触面122之间的摩擦力推动所述第一移动台120沿着所述第一方向移动。在电压瞬间下降时，所述第一压电陶瓷组140的形变瞬间变为0。但由于此时的惯性作用，所述第一移动台120仍旧停留在电压下降前的位置。因此，在所述连续高频的电压脉冲的一个电压周期内，所述第一移动台120沿着所述第一方向移动了一步。重复上述过程，就可以保证所述第一移动台120稳定精密的移动。其中，所述驱动电压最高可以达到几伏特到几十伏特，每一步的移动距离可以控制在几纳米到几百纳米之间，随压电陶瓷自身性质的变化而变化，电压脉冲的频率从几赫兹到几千赫兹均可。可以理解，驱动电压的波形不局限于图3的波形，所有可以有效驱动压电陶瓷的波形均可以使用。所述第二移动台130沿着所述第二方向的移动与所述第一移动台120的移动类似，也是施加高频电压驱动所述第二移动台130。

请参见图4，以所述第一移动台120为例，来说明本实用新型的二维微动装置10在二维移动上具有较高的准直性。所述第一移动台120会受到所述压力施加装置110施加的垂直于所述第一方向和所述第二方向的力。定义所述第一方向为x，所述第二方向为y。那么所述压力施加装置110施加的压力为z方向，可以定义为F_z。所述第一移动台120的两个第一压电陶瓷接触面122上受到的压力分别为F₁和F₂。由于所述两个第一压电陶瓷接触面122具有夹角，所述F₁和F₂也具有夹角，所述F₁和F₂的力的分量是沿着z与y方向的。所述F₁和F₂在z方向的力与所述压力施加装置110的弹性部112施加的压力相互抵消。所述F₁和F₂在y方向的力相互抵消。因此，可以使得所述第一移动台120在所述第一方向(x方向)上移动时，所述第二方向(y方向)上的漂移就被限制了。所述第二移动台130的移动，也是采用了与所述第一移动台120相同的方式来消除在所述第一方向上的漂移。因此，本实用新型提供二维微动装置10在二维移动上具有较高的准直性。

与现有的二维微动台技术相比较，本实施例所提供的二维微动装置具有以下优点。第一、实现了驱动功能与限位功能的统一，改变原本将驱动某一方移动的压电陶瓷全部安装在同一水平面内的设计，在压电陶瓷组之间安排了一个偏离z方向的倾角。这样，所述第一移动台或者所述第二移动台在其移动方向上接与压电陶瓷组之间形成了天然的运动轨道，而不需要单独做出实现此功能的构造，准直性的要求得以解决。第二、两组单方向的压电陶瓷组(第一和第二)均可同时与压力施加装置之间形成一个类似三棱柱结构，实现了压电陶瓷组与被移动零件之间的弹性压紧，更好的并且保证了二维微动装置z方向的稳定性。第三，在原本只有一到两组压电陶瓷的空间内，该装置折叠了两组压电陶瓷，使得原本只是沿z方向堆叠的压电陶瓷在偏向于水平方向有一个偏角，节省了z方向的安装空间，相同的空间内可以放置更多组的压电陶瓷，装置的动力得到了极大地增强，在有限的空间内，可以驱动更重的零件长时间移动。第四，由于结构的合理改变，整个装置的体积相对于相同移动距离的其他产品缩小了三成以上。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。