空间分布压电驱动的多自由度微定位新方法

    1　引言

    随着科学技术的发展,航天技术、微电子工程、光学与光电子工程、以及目前蓬勃发展的MEMS(Micro-Electronics and Mico-System)等技术领域都迫切需要高精度、高分辨率、能灵活控制的多自由度微定位系统,用以完成高精度定位。尤其在MEMS系统的发展过程中,多自由度微定位技术更是阻碍其发展的瓶颈,已成为其走向产业化的前提条件和工作基础。

    现有的微定位机构大致可分为以下几种:扭轮摩擦传动式、机械传动式、热变形式、弹性变形传动式、磁致伸缩式、压电陶瓷式^[1]、柔性铰链式^[2]、直线电机式,还有其他如形状记忆合金、电致伸缩式和滚珠导轨式等。由于压电结构避免了机械结构造成的误差,具有结构简单、尺寸小、频响高、分辨率高、发热少、刚度高以及无杂散电磁场和便于遥控等优点,因而在微位移技术中应用最为广泛^[3]。

    2　微定位原理

    压电材料具有压电效应,即当沿着一定方向对其加力而使其变形时,会在一定表面上产生充放电现象;另一方面,在极化方向施加电场,就会在一定方向上产生变形或机械应力,这是逆压电效应^[4]。我们就是利用压电材料的逆压电效应设计了一种多自由度微定位系统。在平板间夹放并列分布的压电驱动器,对其通以不同电压,使其分别产生伸长或压缩,各驱动器同时作用,形成载物台在不同方向上的微动。

    图1是微定位机构除绕z轴回转外的五自由度的基本动作原理。其中图1(a)是压电元件上未施加电压的初始状态;图1(b)是各压电驱动器同时伸展δ_n的状态;图1(c)是使载物台向x方向驱动的状态;利用下部驱动器使中间平板偏转β_x,再控制上部驱动器使上层平板相对于中间板偏转-β_x。此时上层平板在β方向没有产生偏转,只在x方向平移。其位移量为

式中　h₁、h₂分别是下部和上部铰链到上层平板上面的距离;w是从载物台中心到驱动器的水平距离;δ_x是向x方向平移进各压电驱动器的伸缩量。

    图1(d)是载物台向β方向偏转的状态;利用下部驱动器使中间板倾斜β₁,然后运用上部的驱动器使上层平板相对于中间板倾斜β2,为使上层板不产生x方向移动,β₁和β₂的关系为

式中　δ_β1和δ_β2是为实现β方向偏转下部和上部驱动器的位移量。

    图1(e)是载物台向z方向移动的状态。下部各驱动器位移δ_z1,上部驱动器位移δ_z2,则在z方向的总位移量为