使用基于机械放大器的惯性马达的精确定位系统技术方案

本发明专利技术涉及使用基于机械放大器的惯性马达的精确定位系统，该机械放大器包括第一放大惯性子组件（２０），该惯性子组件包括机械放大器（１）、压电激活构件（２）和配重件（３）。第二相对驱动子组件（２１），包括夹具（１５）和附接到第一惯性子组件（２０）的被夹持构件（２４）。第一惯性子组件的非对称激励循环产生冲击力和被沿驱动方向（ｚ）放大的运动，由此实现被夹持构件在夹具中的滑动和粘附的连续，以便产生点Ａ和相对于点Ｄ的相对平移运动。机械放大器（１）增加了步长尺寸并减少了供应突入电流。点Ｂ相对于点Ｄ的精确和动态定位可以用使用放大器（１）的放大行程来实现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种精确定位系统，包括第一惯性子组件，包括至少一个压电激活(piezoactive )的元件和至少一个惯性点，且能沿作动方向在作动点处产生冲击力和运动，第二相对驱动子组件，包括至少一个驱动构件和一个被驱动构件，两个构件中的 一个经由作动点固定到第 一惯性子组件，电子电路，用于根据预定激励循环对第一惯性子组件的每个压电激活元件供电。
技术介绍
压电惯性马达用在精确线性或旋转微动力化应用中，例如在用于聚焦功能的光学系统中或用于样品微定位的显微系统中。压电惯性马达的概念描述于T. Higuchi的专利EP 0292989中。压电元件11牢固地放在两个标记为12的质量构件M和标记为13的质量构件m之间，这三个元件形成运动组件。质量件m总是自由的。质量件M与用作固定参考的引导件14以摩擦力滑动接触。压电元件按照不对称激励循环而被激励，通常通过锯齿形的可变电压来激励。施加到压电元件并施加时间t,的快速电压切换使得其快速变形并由此使得其端部快速运动，这产生了使得质量件M由于质量件m的惯性而相对于引导件滑动的冲击力。这种现象被称为滑动现象。通过慢慢地将电压切换到其初始值并经过时间t2，会产生压电元件的緩慢变形，导致在没有质量件M的情况下质量件m运动，质量件m的惯性不在起作用且质量件M上的引导件的摩擦用作制动件，产生阻碍。这种现象称为粘附现象。在不对称激励循环中，由此由于引导件而获得质量件M的相对运动以及因而产生的运动组件的相对运动，并使基本步长连续。通过重复该滑动-粘附循环，可以实现一步接一步的操作，能实现比基本步长更大的长行程。为了获得所需的操作，快速运动切换时间t,和慢速运动切换时间12是决定性的。术语慢速和快速相对于通过质量件m和压电元件的刚性k而行 程的子系统的自然周期是固定的。该自然周期T——该子系统的共振频率的 倒数&根据公式T= l/fr = 2p (m/k) 1/2。在电压切换时间t,中——其小于自 然周期T,质量件m的惯性其作用且通过质量m和刚性k形成的子系统用 作冲击力产生器，其应用到M并能加速并驱动后者。这种规范将t^T这种 选择固定下来。在电压切换时间12内——其大于自然周期T,该质量件m的 惯性不再起作用，且通过质量件m和刚性k形成子系统用作运动产生器，其 仅使m运动。该规范使得tpT这种选择固定下来。按照推荐的结构并由于元件的大刚性，共振频率fr很高且实际上在 10kHz以上。该周期随后大于丁= 100(is,且t,由此必须小于100|is。在专利 EP0292989中，所使用的值是t, = 50ps且t2 = 2ms且满足关系式t!<T<t2。在由Saito Schuichiro在专利EP 0464764 Al中提出了非常类似的构思。 该专利中的标记了 17、 12和13的部件分别对应于专利EP 0292989中的质 量件M (即构件12 ),压电元件11和质量件m (即构件13 )。它们相对于构 件1形成处于相对运动中的子组件，与17摩擦滑动接触，如EP0292989中 14那样。差异在于子组件17、 12、和13是固定的且构件1是运动构件。这种类型的机构也能提供精确定位模式，其能与长行程定位模式相结 合。例如，在Higuchi的专利EP0292989的情况下，精确定位模式通过将要 被驱动的载荷固定在质量件m上来实现。通过保持电压而获得的压电元件的 准静态变形能使固定在质量件m上的载荷以良好的分辨率来定位。最大行程 U隱通过最大允许变形S隨和通过压电元件的长度L并通过关系式Umax = L-Smax来确定。在压电元件的通常长度为L-10mm且变形Smax = 0.1。/Ut， 最大行程通常为Umax= 10pm。这种机构具有以下缺点在快速变形模式下需要对压电元件供电的电流很高，具体是因为需要非 常短的切换时间来利用惯性效应并产生冲击力。专利EP 0292989中给出了 典型工作条件——切换时间t产50ns，以使得在电容C=5jiF时电压改变V = 150V。这使得电流强度I-OV/tl = 15A。这种高电流，由于用于快速变形的 很短的切换时间tP对电子器件要求高且使得在焊接部中和有压电元件的电 极中温度升高。这时系统故障的根源。从机械结构角度看，压电元件必须被刚性地保持为与质量元件m和M6接触。压电元件当然存在没有螺紋的平接口，且在没有任何额外机构的情况 下仅能使得元件之间粘滞。这种粘滞长时间的时效，导致压电元件与质量元件m和M之间损失一致性。由于这种粘滞，该机械结构存在故障的根源。压电元件在没有任何机械预应力的情况下来制造。为了防止过度的机械 拉伸应力产生由于分层而产生破坏，压电元件的变形幅度必须受到限制。这 使得步长大小和附带地速度都受到限制，且由此导致马达的性能降低，或在 相反的情况下，机构的寿命降低。从工作的角度来看，按照突然或緩慢的变形来激励马达也会具有激励结 构模式和引起振动的结果。这些振动干扰马达的精确定位功能且也是故障的 根源或是如果振动不受控制便会是限制速度的干扰源。最后，精确定位的行程被限制为大约10微米，如果具有大长度的压电 元件的情况下就不是这样，这会在尺寸方面导致结构不可实现。这种行程的 大小不能满足大量级的行程需求。文献FR 2850218描述了一种经放大的压电激活的作动器，其牢固地固 定到被驱动构件。其没有描述能允许被驱动构件滑动和粘附的夹具和被夹持 构件。其不包括惯性马达。在图10的情况下，通过镜像保持器来形成的被 驱动构件通过螺钉刚性地固定到惯性子组件，该螺钉不能允许滑动-粘附运 动。在图15的情况下，通过结构件46形成的被驱动构件通过连接连杆28 刚性地固定到惯性子组件，该连杆不能允许滑动-粘附运动。文献EP 720245披露了 一种具有两个腿的走行器类型的压电马达。根据 图3和5，每个腿包括压电陶瓷元件(piezoceramic) ( 30， 30，)和转换器(26， 26，)，该转换器将压电陶瓷元件的平移运动转换为小旋转运动。马达的运行 是基于两个压电陶瓷元件的命令之间的两个需要压电的移相激励顺序。其运 行中没有产生沖击力。陶瓷30、 30，不包括任何预应力器件，可用于利用动 态效应并在可靠条件下产生冲击力。因此与基于冲击力的惯性马达无关。文献US 2005/0258712和US 2002/0033322描述了惯性压电马达，其使 用上述专利申请EP 0292989所述的冲击力。这些马达利用通过压电元件产 生的力来使得被驱动构件在夹具中滑动。通过压电元件产生的力越大，则会 更容易地获得滑动，且性能越好。为此，没有在这些专利中披露惯性压电马 达中压电元件的运动放大功能，因为原则上，运动放大是通过压电元件力的 减小实现的。乍一看来这导致运动放大不能对动态机械性能(马达的力、速度)提供全局增益。通过运动放大提供的增益由此不能在根本上适合于动态 机械性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是弥补这些缺陷，且更具体地，改善压电激活惯性马达的 性能和可靠性。根据本专利技术，第一惯性子组件包括机械放大器，该放大器将压电激活元 件的运动放大，作动点位于机械放大器上，而不与压电激活元件直接接合。 驱动构件和被驱动构件是至少一个夹具和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确定位系统，包括：　第一惯性子组件（１０，２０，３０，４０，５０，６０，９０ａｂｃｄ），包括至少一个压电激活元件（２）和至少一个惯性点（Ｂ，Ｂ′，Ｂ″），且该子组件能沿作动方向（ｚ）在作动点（Ａ，Ａ１，Ａ２）处产生冲击力和运动，　 第二相对驱动子组件（１１，２１，３１，４１，５１，６１，９１），包括至少一个驱动构件和一个被驱动构件，这两个构件中的一个经由作动点（Ａ，Ａ１，Ａ２）固定到第一惯性子组件（１０，２０，３０，４０，５０，６０，９０ａｂｃｄ），　电子电路（１０ ０），用于根据预定激励循环对第一惯性子组件的每个压电激活元件（２）供电，　其特征在于：　第一惯性子组件包括机械放大器（１），该放大器将压电激活元件（２）的运动放大，　作动点（Ａ，Ａ１，Ａ２）位于机械放大器（１）上，而不与压电激活元件（ ２）直接接合，　驱动构件和被驱动构件是至少一个夹具（５，１５，３５，４５，５５，７５，８５ａｂｃｄ）和一个被夹持元件（４，２４，５４，７６，９５）的形式，以允许滑动－粘附运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FR 2007-3-14 07018221、一种精确定位系统，包括第一惯性子组件(10，20，30，40，50，60，90abcd)，包括至少一个压电激活元件(2)和至少一个惯性点(B，B′，B″)，且该子组件能沿作动方向(z)在作动点(A，A1，A2)处产生冲击力和运动，第二相对驱动子组件(11，21，31，41，51，61，91)，包括至少一个驱动构件和一个被驱动构件，这两个构件中的一个经由作动点(A，A1，A2)固定到第一惯性子组件(10，20，30，40，50，60，90abcd)，电子电路(100)，用于根据预定激励循环对第一惯性子组件的每个压电激活元件(2)供电，其特征在于第一惯性子组件包括机械放大器(1)，该放大器将压电激活元件(2)的运动放大，作动点(A，A1，A2)位于机械放大器(1)上，而不与压电激活元件(2)直接接合，驱动构件和被驱动构件是至少一个夹具(5，15，35，45，55，75，85abcd)和一个被夹持元件(4，24，54，76，95)的形式，以允许滑动-粘附运动。2、 如权利要求1所述的系统，其特征是，压电激活元件(2)相对于第 一惯性子组件的运动方向正交地延伸，且机械放大器(1)通过基本菱形形 状的壳体形成，其内部长轴线包含^皮施加预应力的压电激活元件(2),且其 活动端位于短轴线上。3、 如权利要求1所述的系统，其特征是，第一惯性机械子组件(IO, 20, 30， 40,50,60,90abcd)包括在惯性点(B)所在侧上的配重件(3， 33, 83)。4、 如权利要求3所述的系统，其特征是，机械放大器(1)和配重件(3, 33，83)形成单体部件。5、 如权利要求1所述的系统，其特征是，第二相对驱动子组件(11,21,31， 41)包括轴(4、 24)，该轴允许相对于夹具(5， 15,35)的相对平移运动。6、 如权利要求5所述的系统，其特征是，机械放大器(1 )的惯性点(B ) 或其伸长部(B'、 B)被引导平移。7、 如权利要求6所述的系统，其特征是，惯性点(B)的引导通过在轴承(14、 26)中滑动的轴(13、 23)执行。8、 如权利要求5所述的系统，其特征是，配重件(33)通过联接件(31, 31b,32)固定到轴(4)，该联接件沿轴线z是柔性的且沿其他方向是刚性的。9、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(15)通过被压在框架 (8 )上的弹簧(7, 27, 27b)所压到被夹持构件(4, 24 )上的至少一个垫(6, 6b,16, 16b,36, 36b)来实现。10、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(15)包括两个垫(16、 16b)，所述两个垫通过弹簧(29)彼此连接且被压到被夹持构件(24)上。11、 如权利要求5所述的系统，其特征是，夹具(5)通过被固定到轴 (4)的弹簧(37、 37b...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克克拉埃森，弗朗索瓦巴里洛特，
申请(专利权)人：锡德雷特技术公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]