074_093-050AP-TW

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074_093-050AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：093125137	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	六自由度微/奈米定位平台(全文下載)

二、

中文發明摘要：

本發明六自由度微/奈米定位平台以線性馬達結合楔形機構定位一水平運動平台(XZ軸平面)，該水平運動平台上加一精密旋轉伺服平台以控制垂直旋轉軸(θ_y)，該精密旋轉伺服平台上安裝一三自由度並聯式機構(θ_x、θ_z和 Y軸)，俾使該六自由度徵/奈米定位平台具有六個運動自由度；其中使用並聯式機構可使本發明平台有較大之承载能力，使用水平運動平台、旋轉伺服平台及並聯式機構之串聯式結構可使本發明平台能有足夠之運動範圍，使用線性馬達可使水平運動平台具有高速的定位速度，而利用楔形機構則可使水平運動平台會有更高的定位精度。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第二圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	1．．．六自由度徵/奈米定位平台
	2．．．基座
	3．．．X軸鞍座
	4．．．Y軸鞍座
	5．．．並聯式機構鞍座
	6．．．並聯式機構
	9．．．線性導軌
	11．．．Z軸線性馬達
	12、22、42、52．．．固定部
	13、23、43．．．可動部
	14．．．Z軸線性導軌
	15．．．Z軸楔形滑塊機構
	16、26．．．主導塊
	17、27．．．引導塊
	21．．．X軸線性馬達
	24．．．X軸線性導軌
	25．．．X軸楔形滑塊機構
	29．．．Z軸彈簧回復裝置
	31．．．Y軸旋轉馬達
	41．．．第四線性馬達
	44．．．第四線性導軌
	47．．．第一楔形斜面溝槽
	48．．．第一半球形導柱
	49．．．第一Y軸彈簧回復裝置
	54．．．第五線性導軌
	57．．．第二楔形斜面溝槽
	59．．．第二Y軸彈簧回復裝置
	70．．．載具平台

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[n]	本發明係有關於一種六自由度微/奈米定位平台，尤指一種以低成本發展出之可六自由度同動、控制容易、定位精度高、定位速度快等特點的微/奈米定位平台。
	【先前技術】
[n]	現今較為常見之精密定位平台相關技術可分下列兩大項加以扼要說明：
[n]	1.致動器部分：壓電致動器：價格昂貴、行程短。步進馬達：線性運動需搭配滾珠導螺桿裝置，定位精度低(2～20μm)。伺服馬達：線性運動需搭配滾珠導螺桿裝置，定位精度低(0.1～2μm)。音圈馬達：價格昂貴，但較壓電致動器低。線性馬達：價格昂貴，但較壓電致動器低。
[n]	2.構型：並聯式：運動控制較複雜、行程小。串聯式：有誤差累積問題、平台高度高。
[n]	中華民國專利公告第564791號專利案之並聯式六自由度奈米定位平台，其係利用固定底座、移動平台、六組撓性鉸鍊及致動器所組合之機構，該致動器配合該撓性鉸鍊所產生的合成位移，造成該移動平台相對於該固定底座有六自由度之運動，分別為三直線X、Y與Z方向移動及三旋轉θ_x、θ_y與θ_z方向運動，但其在定位上仍得藉材料彈性變形的原理，配合該撓性鉸鍊的設計，才能達到定位平台在空間上的姿態改變。然而，該專利案之系統設計複雜、裝配整合不易，且累積誤差大。
[n]	另外，美國專利第6,477,912號之並聯式六自由度微米定位平台，其主要目的係透過三外部聯結桿結合底座與移動平台，三內部聯結桿結合底座與多軸球接頭，且加上一連接桿連接移動平台與多軸球接頭之中心，以達到六自由度之運動，但該裝置在定位精度上仍有一定之誤差產生，而有待改善。
	【發明內容】
[n]	本發明之目的在提供一種六自由度徵/奈米定位平台以線性馬達結合楔形機構定位一水平運動平台(XZ軸平面)，該水平運動平台上加一精密旋轉伺服平台以控制垂直旋轉軸(θ_y)，該精密旋轉伺服平台上安裝一三自由度並聯式機構(θ_x、θ_z和 Y軸)，俾使該六自由度徵/奈米定位平台具有六個運動自由度，因其使用模型機構，故可以成本較低之低定位精度的致動器俾使本發明平台可達奈米級之定位精度；使用水平運動平台、旋轉伺服平台及並聯式機構之串聯式結構可使本發明平台具有足夠之運動範圍；使用高速精密致動器可使本發明平台具有高速的定位速度；採用並聯式機構之致動器為水平方向運動，所以無配重問題，可降低成本及機構的複雜度。
[n]	達到上述目的之六自由度微/奈米定位平台，包含：一基座，在兩側設有線性導軌；一X軸鞍座，係滑動於該基座之線性導軌上，且該X軸鞍座在兩側設有線性導軌；一Y軸鞍座，滑動於該X軸鞍座之線性導軌上；一第一驅動裝置，係與該基座之線性導軌垂直安裝而位於該基座之一側；一X軸彈簧回復裝置，安裝於該基座與該X軸鞍座之間而位於該基座之另一側；一第一楔形滑塊機構，安裝於該第一驅動裝置與該X軸鞍座之間，而該第一驅動裝置、該第一楔形滑塊機構與該X軸彈簧回復裝置一起運作以驅動該X軸鞍座在X軸位移；一第二驅動裝置，係與該X軸鞍座之線性導軌垂直安裝而位於該X軸鞍座之一側；一Z軸彈簧回復裝置，安裝於該 X軸鞍座與該Y軸鞍座之間而位於該X軸鞍座之另一側；一第二楔形滑塊機構，安裝於該第二驅動裝置與該Y軸鞍座之間，而該第二驅動裝置、該第二楔形滑塊機構與該Z軸彈簧回復裝置一起運作以驅動該Y軸鞍座在Z軸位移；一第三驅動裝置，係安裝於該Y軸鞍座上，以驅動一並聯式機構鞍座在Y軸旋轉；一並聯式機構鞍座，係設置於該第三驅動裝置上；以及一並聯式機構，係設置於該並聯式機構鞍座上，該並聯式機構包含：一第四驅動裝置；一第五驅動裝置；一第六驅動裝置；三組線性導軌，係分別安裝在相對應之第四、五、六驅動裝置的一側；三個楔形斜面溝槽，係分別安裝於相對應之第四，五、六驅動裝置上；一載具平台，該載具平台具有三個半球形導柱，該三個半球形導柱用以頂接相對應之三個楔形斜面溝槽；以及三個Y軸彈簧回復裝置，係連結於該並聯式機構鞍座與該載具平台。
	【實施方式】
[n]	雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖式予以充份描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行之人士可修改在本文中所描述之發明，同時獲致本發明之功效。因此，須瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣泛之揭示，且其內容不在於限制本發明。
[n]	請參閱第一A圖、第一B圖及第二圖，分別顯示本發明六自由度微 /奈米定位平台之俯視圖、前視圖及立體圖。本發明六自由度徵/奈米定位平台1包含：一基座2，開設有複數個孔(圖未示)，可固鎖於一工作台，且該基座2在兩側設有線性導軌9；一X軸鞍座3，滑動於該基座2之線性導軌9上，且該X軸鞍座3在兩側設有線性導軌10(圖未示)；一Y軸鞍座4，滑動於該X軸鞍座3 之線性導軌10上；一Z軸線性馬達11與該基座2之線性導軌9垂直安裝而位於該基座2之一側；一X軸彈簧回復裝置19，安裝於該基座2與該X軸鞍座3之間而位於該基座2之另一側；一Z軸楔形滑塊機構15，安裝於該Z軸線性馬達11與該X軸鞍座3之間；一Z軸線性導軌14，安裝於該Z軸線性馬達11之一側。
[n]	一X軸線性馬達21，係與該X軸鞍座3之線性導軌10垂直安裝而位於該X軸鞍座3之一側；一Z軸彈簧回復裝置29，安裝於該X軸鞍座3與該Y軸鞍座4之間而位於該X軸鞍座3之另一側；一X軸楔形滑塊機構25，安裝於該X軸線性馬達21與該Y軸鞍座4之間；一X軸線性導軌24，安裝於該X軸線性馬達21之一側。
[n]	一Y軸旋轉馬達31，係安裝於該Y軸鞍座4上；一並聯式機構鞍座5，係設置於該Y軸旋轉馬達31上；以及一並聯式機構6，係安裝於該並聯式機構鞍座5上，該並聯式機構6包含：第四線性馬達41，第五線性馬達51與第六線性馬達61，係分別間隔120度之角度方式排列；第四線性導軌44、第五線性導軌54、第六線性導軌64，係分別安裝於相對應之第四、五、六線性馬達41、51、61之一側；第一楔形斜面溝槽47、第二楔形斜面溝槽57、第三楔形斜面溝槽67，係分別安裝於相對應之第四、五、六線性馬達41、51、 61上；一載具平台70，具有第一半球形導柱48、第二半球形導柱58、第三半球形導柱68，而該第一、二、三半球形導柱48、58、68係用以頂接相對應之第一、二、三楔形斜面溝槽47、57、67；以及第一Y軸彈簧回復裝置49、第二Y軸彈簧回復裝置59、第三Y軸彈簧回復裝置69以間隔120度之角度方式排列而連結於該並聯式機構鞍座6與該載具平台70之間。
[n]	請繼續參閱第一A圖、第一B圖及第二圖，該Z軸線性馬達11 在電氣連接後，該Z軸線性馬達11之可動部13、固定部12可產生相對滑移運動，該Z軸楔形機構15之主導塊16固接於該可動部13上，可藉由該可動部 13作Z方向之移動，與該主導塊16配合有相對運動之引導塊17則是固接於該X軸鞍座3。
[n]	該Z軸線性馬達11驅動該主導塊16與該引導塊17產生相對運動，即當該主導塊16相對於該引導塊17往正Z方向移動時，俾使該X軸鞍座3藉由該線性導軌9輔助往正X方向移動，並且造成該X軸彈簧回復裝置19的壓縮，而該X軸彈簧回復裝置19之壓縮位能則是提供了該X軸鞍座3往負X方向移動的動力。
[n]	該X軸線性馬達21在電氣連接後，該X軸線性馬達21之可動部23、固定部22可產生相對滑移運動，該X軸楔形機構25之主導塊26固接於該可動部23上，可藉由該可動部23作X方向之移動，與該主導塊26配合有相對運動之引導塊27則是固接於該Y軸鞍座4。
[n]	該X軸線性馬達21驅動該主導塊26與該引導塊27產生相對運動，即當該主導塊26相對於該引導塊27往正X方向移動時，俾使該Y軸鞍座4藉由該線性導軌10輔助往負Z方向移動，並且造成該Z軸彈簧回復裝置29的壓縮，而該Z軸彈簧回復裝置29之壓縮位能則是提供了該Y軸鞍座4往正Z方向移動的動力。
[n]	該Y軸旋轉馬達31在電氣連接後，該Y軸旋轉馬達31便可驅動該並聯式機構鞍座5在Y軸作旋轉運動。
[n]	位於並聯式機構鞍座5上的第四線性馬達41在電氣連接後，該第四線性馬達41之可動部43、固定部42可產生相對滑移運動，俾使連接於該可動部43的第一楔形斜面溝槽47可隨著該可動部43移動。相同地，該第五線性馬達51在電氣連接後，該第五線性馬達51之可動部53、固定部52可產生相對滑移運動，俾使連接於該可動部53上的第二楔形斜面溝槽57可隨著該可動部 53移動。第六線性馬達61在電氣連接後，該第六線性馬達61之可動部63、固定部62可產生相對滑移運動，俾使連接於該可動部63上的第三楔形斜面溝槽 67可隨著該可動部63移動。
[n]	該載具平台70之第一、二、三半球形導柱48、58、68頂接於相對應之第一、二、三楔形斜面溝槽47、57、67，而該載具平台70與該並聯式機構鞍座5之間以第一、二、三Y軸彈簧回復裝置49、59、69連結。當該可動部43帶動該第一楔形斜面溝槽47產生移動時，該第一半球形導柱48沿該第一楔形斜面溝槽47之溝槽而有高度差變化。在該第一半球形導柱48 沿該第一楔形斜面溝槽47下降時，位在該第四線性馬達41兩側的第一、二Y軸彈簧回復裝置49、59會呈壓縮狀態，而該第三Y軸彈簧回復裝置69則呈拉伸狀態，俾使該載具平台70呈現一傾斜角度；而該第一半球形導柱48沿該第一楔形斜面溝槽47上升時，位在該第四線性馬達41兩側的第一、二Y軸彈簧回復裝置49、59會呈拉伸狀態，而該第三Y軸彈簧回復裝置69則呈壓縮狀態，俾使該載具平台70呈現一傾斜角度。
[n]	在詳細說明本發明的較佳實施例之後，熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下可進行各種變化與改變，而本發明亦不受限於說明書之實施例的實施方式。
	【圖式簡單說明】
[n]	第一A圖係顯示本發明六自由度微/奈米定位平台之俯視圖，第一B圖係顯示本發明六自由度微/奈米定位平台之前視圖。
[n]	第二圖係顯示本發明六自由度微/奈米定位平台之立體圖。
	【主要元件符號說明】
[y]	1．．．六自由度微/奈米定位平台
[y]	2．．．基座
[y]	3．．．X軸鞍座
[y]	4．．．Y軸鞍座
[y]	5．．．並聯式機構鞍座
[y]	6．．．並聯式機構
[y]	9、10．．．線性導軌
[y]	11．．．Z軸線性馬達
[y]	12、22、42、52、62．．．固定部
[y]	13、23、43、53、63．．．可動部
[y]	14．．．Z軸線性導軌
[y]	15．．．Z軸楔形滑塊機構
[y]	16、26．．．主導塊
[y]	17、27．．．引導塊
[y]	19．．．X軸彈簧回復裝置
[y]	21．．．X軸線性馬達
[y]	24．．．X軸線性導軌
[y]	25．．．X軸楔形滑塊機構
[y]	29．．．Z軸彈簧回復裝置
[y]	31．．．Y軸旋轉馬達
[y]	41．．．第四線性馬達
[y]	44．．．第四線性導軌
[y]	47．．．第一楔形斜面溝槽
[y]	48．．．第一半球形導柱
[y]	49．．．第一Y軸彈簧回復裝置
[y]	51．．．第五線性馬達
[y]	54．．．第五線性導軌
[y]	57．．．第二楔形斜面溝槽
[y]	58．．．第二半球形導柱
[y]	59．．．第二Y軸彈簧回復裝置
[y]	61．．．第六線性馬達
[y]	64．．．第六線性導軌
[y]	67．．．第三楔形斜面溝槽
[y]	68．．．第三半球形導柱
[y]	69．．．第三Y軸彈簧回復裝置
[y]	70．．．載具平台

七、

申請專利範圍：

1. 一種六自由度微/奈米定位平台，包含：一基座，在兩側設有線性導軌；一X軸鞍座，滑動於前述基座之線性導軌上，且該X軸鞍座在兩側設有線性導軌；一Y軸鞍座，滑動於前述X軸鞍座之線性導軌上；一第一驅動裝置，係與前述基座之線性導軌垂直安裝而位於前述基座之一側；一X軸彈簧回復裝置，安裝於前述基座與X軸鞍座之間而位於前述基座之另一側；一第一楔形滑塊機構，安裝於前述第一驅動裝置與X軸鞍座之間，而前述第一驅動裝置，第一楔形滑塊機構與X軸彈簧回復裝置一起運作以驅動前述X軸鞍座在X軸位移；一第二驅動裝置，係與前述X軸鞍座之線性導軌垂直安裝而位於前述X軸鞍座之一側；一Z軸彈簧回復裝置，安裝於前述 X軸鞍座與Y軸鞍座之間而位於前述X軸鞍座之另一側；一第二楔形滑塊機構，安裝於前述第二驅動裝置與Y軸鞍座之間，而前述第二驅動裝置、第二楔形滑塊機構與Z軸彈簧回復裝置一起運作以驅動前述Y軸鞍座在Z軸位移；一第三驅動裝置，係安裝於前述Y軸鞍座上，以驅動一並聯式機構鞍座在Y軸旋轉；以及一並聯式機構，係設置於前述並聯式機構鞍座上，以控制一載具平台在XZ軸平面之傾斜變化以及在Y軸位移。
2.如申請專利範圍第1項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述並聯式機構，包含：一第四驅動裝置；一第五驅動裝置；一第六驅動裝置；三組線性導軌；係分別安裝在相對應之第四、五及六驅動裝置的一側；三個楔形斜面溝槽，係分別安裝在相對應之第四、五及六驅動裝置上；一載具平台，係具有三個半球形導柱，前述三個半球形導柱用以頂接相對應之三個楔形斜面溝槽；以及三個Y軸彈簧回復裝置，係連結於前述並聯式機構鞍座與前述載具平台。
3.如申請專利範圍第2項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述並聯式機構之第四驅動裝置、第五驅動裝置及第六驅動裝置互相間隔120度或其它角度的位置安放。
4.如申請專利範圍第2項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述並聯式機構之載具平台之半球形導柱分別間隔120度或其它角度排列。
5.如申請專利範圍第2項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述並聯式機構之Y軸彈簧回復裝置互相間隔120度或其它角度的位置安放。
6.如申請專利範圍第2項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述並聯式機構之Y軸彈簧回復裝置提供前述並聯式機構鞍座與前述載具平台之間的回復力。
7.如申請專利範圍第2項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述並聯式機構之楔形斜面溝槽之斷面為V開口或其它任意形狀。
8.如申請專利範圍第2項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述第四、五和六驅動裝置係為可產生直線運動之電子控制功能之制動器。
9.如申請專利範圍第1項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述第一和二驅動裝置係為可產生直線運動之電子控制功能之制動器。
10.如申請專利範圍第1項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述第三驅動裝置係為可產生旋轉運動之電子控制功能之旋轉裝置。
11.如申請專利範圍第1項所述之六自由度微/奈米定位平台，其中前述X軸彈簧回復裝置提供前述第一驅動裝置之軸向的位置回復；前述Z軸彈簧回復裝置提供前述第二驅動裝置之軸向的位置回復。

八、	圖式：
	第一A圖第一B圖第二圖

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