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专利名称：可回授控制的微定位平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用应变规传感器量测平台连结机构的变形量，并将量测所得的讯号回授至控制器，并运算修正致动器的动作，进而以低成本的方式，大幅提高平台定位精准度的可回授控制的微定位平台。
背景技术：
传统机械式的进给系统多半采用导螺杆、齿轮、皮带、轴承及滑轨等机械零件，此类型机械零件会因为组件公差或装配误差造成定位精度受到限制，并且也因为组件间的摩擦接触造成平台稳定性差；因此如果要将传统机械式的进给系统提升至纳米等级的精度，其装配及组件加工精度的要求就很重要，并且也需有适当润滑减少摩擦，如此一来，这些技术瓶颈将会使得超精密定位系统的价格居高不下。
为了突破传统定位系统设计上的困难，现在较常使用的技术即是采用挠性结构(Flexure Structure)，其是于基座内以挠性结构连结平台，再以压电致动器做为平台的驱动源，利用致动器的材料变形，达到定位的精度，而挠性结构则取代原先机械式的旋转对(Revolute Pair)、滑行对(Prismatic Pair)和球面对(Spherical Pair)，如此一来，将可避免机械零件装配误差、组件接触面摩擦、黏滞损耗和温升，以及刚性差等缺点，并且在平台微小化的发展时，也可以避免微小零件加工的困难。
该种压电式平台，虽在纳米检测与纳米制造上已应用的相当广泛，但因压电致动器本身具有潜变以及迟滞的非线性效应(如图1所示，压电致动器的动作曲线图)，而影响压电式平台的定位性能，而此非线性的现象必须依赖回授控制得以消除；此外，挠性定位平台虽然具有无间隙与无装配误差的特性，但平台会有不同轴向间干涉的误差，此误差亦可藉由回授控制加以消除。
美国专利US6,555,829即为具有回授控制的定位平台，其专利为一组二垂直轴向驱动的挠性平台，所使用的驱动器为双压电致动器(BimorphPiezoelectric Actuator)，并且使用挠性平板弹簧来导引平台的行进方向；请参阅图2所示，其中，10与20为上述的双压电致动器，11～14及21～24为所定义的挠性平板弹簧，当致动器动作并使平台位移后，分别以位置感测装置15、25来量测平台的位置，并将量测所的的讯号回授至控制器30，再由控制器30控制致动器10、20的动作，以达到精准的定位；该专利的回授系藉由位置传感器来达成，而位置传感器的精度会直接影响平台的定位精度，目前常用的位置传感器为电容式位移传感器或雷射干涉仪，位置传感器的组装精度要求极高，以电容式位移传感器为例，传感器与待测体的间距为数微米至数百微米的内，平行度必须在某个范围内，此装配必须依赖经验与仪器加以校正，且其电路设计复杂造价高，而雷射干涉仪的体积庞大又造价更为昂贵，以致使压电平台的闭回路系统设计不易，而无法有效降低成本。

发明内容
本发明的目的是提供一种可回授控制的微定位平台，以数组由平板弹簧所制成的铰炼式的连结机构架置动作平台，于动作平台的各轴向位置分别装设致动器，例如压电致动器，并于连结机构上装设可量测应变量的应变规传感器，于压电致动器动作并使平台位移时，平台将抵压连结机构并使其产生变形，应变规传感器即可量测该连结机构的变形量，并将量测所得的讯号回授至控制器，经由控制器的运算，再修正控制致动器的动作，以使动作平台准确定位；藉此，利用应变规传感器的讯号换算为位移讯号，即可有效降低设备的成本，且达到精确定位的回授控制效果。
本发明的另一目的是提供一种可回授控制的微定位平台，于一主动作平台内以数组由平板弹簧所制成的铰炼式的连结机构架置一次动作平台，于主动作平台及次动作平台的不同轴向位置上分别装设致动器，并于各平台的连结机构上装设可量测应变量的应变规传感器；藉此，可分别将不同轴向的应变规传感器量测所得的讯号回授至控制器，经由控制器的运算比对，再分别修正控制各致动器的动作，而各平台不同轴向设置的致动器，可于动作时降低各轴向间的干涉，进而达到精确定位的回授控制效果，亦可达到多轴定位的效果。
本发明的上述目的是这样实现的，一种可回授控制的微定位平台，包括一基座；至少一动作平台，设于基座内；数个组连结机构，连结架设动作平台；至少一致动器，连结于动作平台，并使动作平台轴向位移；应变规传感器，设于连结机构上，以量测连结机构的变形量。
下面结合附图对本发明进行详细说明。


图1是压电致动器的动作曲线图；图2是美国专利US6,555,829的架构示意图；图3是本发明的架构示意图；图4是图3A部放大图；图5是图3B部放大图；图6是图3C部放大图；图7是本发明动作平台于第一轴向的位移与应变量的关系曲线图；图8是本发明动作平台于第一轴向的位移与应变量的关系曲线图；图9是本发明回授控制的示意图；图10是本发明致动器经回授控制后的动作曲线图；图11是本发明的另一架构示意图；图12是图11D部放大图；图13是图11E部放大图。
附图标记说明10压电致动器；11挠性平板弹簧；12挠性平板弹簧；13挠性平板弹簧；14挠性平板弹簧；15位置感测装置；20压电致动器；21挠性平板弹簧；22挠性平板弹簧；23挠性平板弹簧；24挠性平板弹簧；25位置感测装置；30控制器；40基座；41动作平台；42沟槽；43连结机构；431平板弹簧；44致动器；441挠性铰炼对；45致动器；451挠性铰炼对；46连结机构；461平板弹簧；47致动器；471挠性铰炼对；48致动器；481挠性铰炼对；49连结机构；491平板弹簧；50应变规传感器；51应变规传感器；52控制器；60基座；61主动作平台；62连结机构；621平板弹簧；63致动器；64次动作平台；65连结机构；651平板弹簧；66致动器；67应变规传感器；68应变规传感器。
具体实施例方式
请参阅图3，本发明的基座40与动作平台41可于一基板上以线切割或放电加工方式加工出贯穿的沟槽42，而于基座40内中空位置设有动作平台41，动作平台41的各边角分别以连结机构43架置于基座40内，其中该连结机构43可为铰练式挠性机构、旋转对(Revolute Pair)、滑行对(Prismatic Pair)或球面对(Spherical Pair)，于基座40与动作平台41间的第一轴向位置(例如X轴向)，设有由挠性铰炼对441、451连结的致动器44、45，其中该致动器44、45可为压电材料、线性马达或旋转马达，并于致动器44、45的相对侧适当位置设有另一铰炼式的连结机构46，另于基座40与动作平台41间的第二轴向位置(例如Y轴向)，则设有由铰炼对471、481连结的致动器47、48，其中该致动器47、48可为压电材料、线性马达或旋转马达，并于致动器47、48的相对侧适当位置设有另一铰炼式的连结机构49；请参阅图4，动作平台41其中一边角的铰炼式连结机构43，是由呈双L形的平板弹簧431所制成的铰炼式的机构；请参阅图3、图5，致动器44、45相对侧的铰炼式的连结机构46，是由另一种型态的双L形平板弹簧461所制成的铰炼式的可挠性机构，于致动器44、45动作时，动作平台41可于基座内作第一轴向的位移，并抵压连结机构46，而使平板弹簧461变形，本发明于平板弹簧461的一侧装设应变规传感器50，例如电阻式应变规，以量测平板弹簧461的变形量；请参阅图3、图6，相同的，致动器47、48相对侧的铰炼式的连结机构49，亦是由另一种型态的双L形平板弹簧491所制成的铰炼式的可挠性机构，于致动器47、48动作时，动作平台41可于基座内作第二轴向的位移，并抵压连结机构49，而使平板弹簧491变形，本发明于平板弹簧491的一侧装设应变规传感器51，以量测平板弹簧491的变形量。
由于应变规传感器已应用在许多试验及量测上，其能量测大部份固态物质的伸长或压缩的物理现象，因此在测试体上贴上应变规传感器即可测其应变，当测试体有应变时，应变量会传给应变规传感器，而改变其电气特性。请参阅图7，本发明于第一轴向的平板弹簧一侧装设应变规传感器，经由实验验证后，可以测得动作平台于第一轴向位移时，其与应变规传感器输出讯号的关系曲线为线性关系。请参阅图8，相同的，本发明于第二轴向(Y轴向)的平板弹簧一侧装设应变规传感器，经由实验亦可测得动作平台于第二轴向位移时，其与应变规传感器输出讯号的关系曲线为线性关系，因此量测应变规传感器的讯号即可对应至动作平台的位移情形。
请参阅图5、图6、图9，本发明利用量测应变规传感器50、51的电压讯号变化，可利用惠斯同电桥放大，将讯号回授至控制器52，经由控制器52的运算，即可控制驱动器修正致动器的控制讯号，以使动作平台的位移达到准确定位的目的。本发明于初始校正阶段时，可先利用高精度的雷射干涉仪比对应变规传感器的讯号，并根据比对的结果计算出控制器的转换运算方式，而在动作平台实际运作时，即可不需再使用到昂贵的雷射干涉仪作为位置的传感器，而直接利用应变规传感器的讯号换算为位移讯号，且不失其精确性，从而实现精确回授控制的效果。
请参阅图10，本发明利用量测应变规传感器的讯号作为动作平台回授控制的讯号源，经控制器运算并修正致动器的控制讯号后，动作平台于位移时，即可具有准确的线性度，并于位移至定点后可保持定位在定点上，从而实现准确定位。
请参阅图11，本发明为了降低各轴向间的干涉，而于一基座60内设有一主动作平台61，主动作平台61的各边角分别以铰炼式的连结机构62架置于基座60内，其中该连结机构62至少一组须为铰练式挠性机构，其余的连结机构可为旋转对(Revolute Pair)、滑行对(Prismatic Pair)或球面对(SphericalPair)，于基座60与主动作平台61间的第一轴向位置设有致动器63，另于主动作平台61内设有一次动作平台64，次动作平台64的各边角分别以铰炼式的连结机构65架置于主动作平台61内，其中该连结机构65至少一组须为铰练式挠性机构，其余的连结机构可为旋转对(Revolute Pair)、滑行对(PrismaticPair)或球面对(Spherical Pair)，于主动作平台61与次动作平台64间的第二轴向位置设有致动器66；请参阅图12，主动作平台61至少一边角的铰炼式连结机构62，是由概呈Z形的平板弹簧621所构成的铰炼式的挠性机构，并于平板弹簧621的一侧装设应变规传感器67，以量测平板弹簧621的变形量；请参阅图13，相同的，次动作平台64至少一边角的铰炼式连结机构65，亦是由概呈Z形的平板弹簧651所构成的铰炼式的挠性机构，并于平板弹簧651的一侧装设应变规传感器68，以量测平板弹簧651的变形量。
请再参阅图11、图12、图13，当第一轴向位置的致动器63动作时，主动作平台61将同时带动次动作平台64作第一轴向的位移，并抵压连结机构62，而使平板弹簧621变形，利用量测应变规传感器67的电压讯号，并将讯号回授至控制器，经由控制器的运算，即可控制修正致动器63的控制讯号，以使得主动作平台61于第一轴向的位移可准确定位；同理，当第二轴向位置的致动器66动作时，主要由次动作平台64作第二轴向的位移，并抵压连结机构65，而使平板弹簧651变形，利用量测应变规传感器68的电压讯号，并将讯号回授至控制器，经由控制器的运算，即可控制修正致动器66的控制讯号，以使得次动作平台64于第二轴向的位移可准确定位，因此，利用主动作平台及次动作平台的逐层式平台架构，即可降低各轴向间的干涉。此外，逐层式的平台架构，不仅可作两组的平台设计，亦可作两组以上的平台架构，且致动器亦可作更多轴向的分布架设，以使平台作更多轴向的位移，相同的也都可以利用回授控制，达到准确定位的目的。
权利要求
1.一种可回授控制的微定位平台，包括一基座；至少一动作平台，设于基座内；数个组连结机构，连结架设动作平台；至少一致动器，连结于动作平台，并使动作平台轴向位移；应变规传感器，设于连结机构上，以量测连结机构的变形量。
2.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该应变规传感器的输出讯号送入控制器，经控制器运算后，输出控制讯号至致动器，以修正致动器的动作讯号。
3.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该动作平台为一个可作多轴向位移的平台。
4.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该动作平台为一组逐层式的平台架构，各层的动作平台分别作单一轴向或多轴向的位移。
5.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该连结机构至少一组为挠性机构，其余连结机构可为挠性机构、旋转对、滑行对或球面对。
6.依权利要求5所述的可回授控制的微定位平台，其中，该挠性机构的连结机构是由平板弹簧所构成的挠性机构。
7.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该致动器为压电材料、线性马达或旋转马达。
8.依权利要求7所述的可回授控制的微定位平台，其中，该压电材料的致动器以挠性铰炼对连结动作平台。
9.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该致动器沿动作平台的位移方向，作一个或一个以上轴向方向的分布配置，以使动作平台作一个或一个以上轴向的位移。
10.依权利要求1所述的可回授控制的微定位平台，其中，该应变规传感器设于致动器相对侧的连结机构上。
全文摘要
本发明公开了一种可回授控制的微定位平台，于中空状的基座内以数组连结机构架置一动作平台，该连结机构是由平板弹簧所制成的铰炼式的机构，于基座与动作平台间的各轴向位置装设致动器，使得致动器于动作时，动作平台可于基座内作各轴向微幅的位移，并抵压连结机构作变形，另于连结机构上装设应变规传感器，以感测连结机构的弹性变形量，应变规传感器并将电子讯号回授至控制器，经由控制器的运算修正控制讯号，驱使致动器准确动作，以使动作平台的位移准确定位。
文档编号G01B9/02GK1786860SQ20041009850
公开日2006年6月14日 申请日期2004年12月9日 优先权日2004年12月9日
发明者朱怡铭, 王维汉, 吴兆棋 申请人:财团法人工业技术研究院