压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位

　　1　引言

　　在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要高性能的超精密定位工作台作为技术支持。例如,随着集成电路集成度的提高,线宽已达亚微米级,因此在制造过程中对其定位精度有着苛刻的限制。在机械加工非圆球面时,为了得到精确的形状和高质量的表面,对加工过程中刀具相对工件的运动精度提出了严格的要求。已有的MEMS(micro-electro-mechanical system)加工工艺适宜制造二维或准三维的微型机械结构。想要得到复杂的微型三维结构,目前较可行的方法是将由MEMS加工工艺制造的微型结构通过一定的方式装配起来,该技术被称为微装配技术。要实现微装配,需要结构小巧,在平面内有较大行程的超精密载物工作台。为了加大扫描隧道显微镜(STM)的测量范围,需要高精度的工作台与测头一起实现较大范围的超精密定位。

　　实现亚微米甚至纳米级的定位,常规的驱动和传动方式不再适合。比如通常为了实现精密定位,采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案,然而此种定位方式由于螺纹空程和传动摩擦的存在,其定位精度一般只能达到微米级。因此,需要特殊的驱动和传动方式,以使工作台具有亚微米或纳米级的位移分辨率。

　　2　压电元件与柔性铰链机构结合实现超精密定位

　　利用压电元件作为驱动装置,柔性铰链机构作为传动装置构成超精密定位系统是经常采纳的超精密定位方案。

　　压电效应的概念最先来源于压电晶体,当此类电介质晶体外加机械载荷时,晶体内部的正负电荷中心发生相对位移而产生极化,导致晶体两端出现符号相反的束缚电荷[1]。反之,如将具有压电效应的电介质晶体置于电场中,由于电场的作用而引起电介质晶体内部正负电荷中心产生相对位移,致使压电晶体发生形变,晶体的这种现象称为逆压电效应。

　　在工程技术中应用较普遍的是由压电陶瓷材料制作而成的压电元件。通常选用压电常数较大的层叠式压电元件获取微变形,它的线性比较优良,且具有体积小、刚度大、形变相对较大、位移分辨率高和响应迅速的特点。

　　柔性铰链的中部较为薄弱,在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形,能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙,并且有弹性回复力,因而消除了运动中的摩擦和回退空程。在超精密定位中较多采用的是圆弧型柔性铰链,如图1所示,它运动精度较高,但转动幅度小[2]。

　　由柔性铰链构成的柔性铰链机构结构紧凑、传动关系明确、无传动空程,并且无摩擦,最适合与压电元件组成微小型结构简洁、频响高的超高精度定位工作台。同时柔性铰链机构还可放大压电致动器的位移,并提供适当的预紧,避免压电致动器承受拉应力。