超聲波壓電位移臺擅長以高速精確地定位物體。這使得它們適用于科學(xué)研究以及特定的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用啡氢。壓電平臺的工作方式適用于水平面 (XY) 中的運動状囱，在垂直面中提升物體是具有挑戰(zhàn)性的研究。在本概述中亭枷，我們將討論克服這一障礙的不同方法。
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垂直面中提升物體的質(zhì)量補償
超聲波壓電位移臺擅長以高速精確地定位物體默蚌。這使得它們適用于科學(xué)研究以及特定的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用冻晤。壓電平臺的工作方式適用于水平面 (XY) 中的運動，在垂直面中提升物體是具有挑戰(zhàn)性的研究绸吸。在本概述中鼻弧，我們將討論克服這一障礙的不同方法。
為什么垂直運動更難攘轩？
我們還詳細(xì)介紹了不同種類的壓電電機的工作原理叉存。它們都有自己的特點度帮，但所有壓電電機技術(shù)都有一個共同點：陶瓷組件推動陶瓷條以引發(fā)位移，然后返回其初始位置以重復(fù)運動并提供新的推動力笨篷。這種機制在逆重力移動時帶來了兩個挑戰(zhàn)：
1.壓電馬達需要比水平面更用力推動有效載荷瞳秽，因為它必須“提升”整個有效載荷重量
2.當(dāng)壓電馬達返回其起始位置時，物體不應(yīng)下落
人們并沒有改變壓電電機機構(gòu)的基本原理率翅，而是想方設(shè)法讓壓電電機保持它仍然在水平方向移動時的條件练俐，從而上面提到的兩個挑戰(zhàn)都不存在。有兩種基本方法：顯著增加壓電電機的推力或補償有效負(fù)載的重量腺晾。
楔形機構(gòu)
當(dāng)壓電馬達的力增加時，重負(fù)載的問題會減少或消失辜贵∶醪酰可以使用楔形系統(tǒng)來增加力，該系統(tǒng)會以減小行程范圍為代價來放大電機的力泉粉。這些機制不能僅僅是添加到現(xiàn)有的壓電設(shè)備中榴芳，而是需要成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的一部分。大多數(shù)行程超過 2 mm 的垂直升降壓電平臺都是基于此原理跺撼。
當(dāng)壓電馬達推動有效載荷下方的楔塊時窟感，會產(chǎn)生很大的提升力歉井。產(chǎn)生的力取決于楔的角度柿祈。楔形的角度越小，可以產(chǎn)生的垂直力就越大哩至。但另一方面，當(dāng)使用非常窄的楔形時菩貌，就沒有多少垂直凈行程了卢佣。這可以通過使用長楔子來解決，但問題變成了平臺的軌跡范圍過大虚茶。在真空室或光束操縱裝置等狹窄空間中戈鲁，這可能是一個問題。對于市場上大多數(shù)帶楔形系統(tǒng)的壓電升降平臺嘹叫，可以實現(xiàn) 5 mm 至 15 mm 的行程范圍。
磁質(zhì)量補償
楔子適合移動上限距離為 15 毫米罩扇，但是當(dāng)將物體或研究樣本舉得更高時該怎么辦婆芦？在這種情況下，必須依靠常規(guī)線性平臺喂饥，增加其行程范圍消约。但同樣仰泻，需要采取措施避免引言中提到的兩個問題荆陆。消除重力引起的力將使壓電電機如同水平方向時一樣工作。這稱為質(zhì)量補償。
第1個機制是使用中和有效載荷重量的磁鐵。如果正確操作排作，壓電平臺的運行情況與水平運動相同：只需要克服慣性垦沉，而不是負(fù)載的整個重量。并且不存在前面解釋的“倒退”的風(fēng)險命浴。
磁質(zhì)量補償是按照稱為“磁阻致動器”的原理構(gòu)造的。理論上贱除，這可以用永磁體和電磁體來完成，但實際上只使用永磁體月幌。無需過多介紹技術(shù)細(xì)節(jié)碍讯，其概念是在兩個鐵軌之間滑動永磁體，它們之間的距離不同扯躺。這會在磁鐵上產(chǎn)生恒定的升力捉兴。力大小取決于磁鐵和鐵板录语。因為選擇了特定質(zhì)量的磁鐵來進行補償，這意味著有效載荷不應(yīng)變化太大澎埠。
磁性質(zhì)量補償裝置可以很容易地安裝在現(xiàn)有壓電平臺的側(cè)面。補償?shù)拈L度由磁鐵和導(dǎo)軌的長度決定失暂。通常彼宠，導(dǎo)軌的長度大約是行程范圍的兩倍鳄虱。因此，對于長行程平臺凭峡，zui終可能會需要相當(dāng)高的磁鐵和導(dǎo)軌。
機械彈簧質(zhì)量補償
磁質(zhì)量補償效果很好摧冀，但正如一般情況那樣倍踪，它會產(chǎn)生磁場。對于某些應(yīng)用情景索昂，這是不可接受的建车。當(dāng)不允許使用磁鐵時椒惨，使用恒力彈簧是一種可行解決方案缤至。有兩種類型的彈簧與此概念相關(guān)康谆。
1.一個長的線性彈簧
經(jīng)典的拉伸彈簧沒有恒定的力，因此乍一看它不適合質(zhì)量補償（需要恒定的補償力）沃暗。但是，如果在尚未太緊的區(qū)域使用長彈簧孽锥，則力是相當(dāng)恒定的嚼黔。它并不完美，但壓電電機可以克服這種波動的力惜辑。
使用線性彈簧進行質(zhì)量補償是有效的唬涧，但需要足夠的高度才能在彈簧力恒定的彈簧區(qū)域中使用彈簧。只要有足夠的工作高度爵卒，這個概念就可以應(yīng)用到任何平臺。這個想法的一個優(yōu)點是撵彻，在不同的有效載荷的情況下，可以安裝不同的彈簧实牡。這使得這個概念比磁質(zhì)量補償更靈活陌僵。
2.圓形恒力彈簧
您可能從卷尺中知道這個原理创坞。圓形恒力彈簧是卷起的長金屬帶（有時略微彎曲）碗短。當(dāng)被拉動時偎谁，它會產(chǎn)生恒定的拉力总滩。一些壓電平臺制造商已經(jīng)在他們的一些垂直平臺中集成了這個概念，但使其工作更加復(fù)雜巡雨。雖然這不需要線性彈簧所需的額外高度闰渔，但仍然需要將彈簧定位在平臺上方以將其抬起。這可以通過使用滾輪來解決冈涧，這些滾輪將彈簧向下引導(dǎo)，這存在影響彈簧彈性過程的風(fēng)險正蛙。
配重
配重的概念很簡單：將重物系在繩子上督弓，繩子在滑輪上，有效載荷在繩子另一端上乒验。如果選擇正確，負(fù)載的重量可以得到補償锻全。與之前的原理相比狂塘，配重的優(yōu)勢在于力是完全恒定的虱痕。那么為什么這不是理想的解決方案呢睹耐？
首先部翘，當(dāng)垂直載物臺安裝在 XY 平臺上時硝训，砝碼會開始擺動，因此應(yīng)采取措施避免這種情況新思。其次，材料的缺陷會導(dǎo)致問題：大多數(shù)壓電位移臺用于非臣星簦苛刻的環(huán)境纵刘，定位分辨率低于 100 nm，有時甚至低于 1 nm荸哟。滾輪或“繩索”材料中的任何缺陷都會對載物臺的定位精度造成影響假哎。然而鞍历，如果執(zhí)行得當(dāng)，配重概念是有用且可靠的劣砍。它還允許通過添加或刪除一些砝碼來改變有效載荷。
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