壓電致動器具有運動平穩(wěn)、分辨率高、剛度大和能量轉換效率高等特點，是精 密定位的理想驅動元件。但壓電 致動器一般只有幾至幾十微米 的位移，而在許多工程應用中需 要更大的運動范圍。柔性鉸鏈具有運動平穩(wěn)、無需潤滑、無回退空程、無摩擦、高精度等優(yōu)點。因此在絕大多數(shù)情況下，利用柔性鉸鏈機構是傳遞和放大壓電致動器位移最適宜的方法。同時柔性鉸鏈機構還為壓電致動器提供 適當?shù)念A緊，避免其承受拉應力。以下是一些壓電元件驅動、柔性鉸鏈機構傳動的典型例子。

超精密定位工作臺

1978年美國國家標準局開發(fā)了一個微定位工作臺并用于光掩模的線寬測量。為了能在光學和電子顯微鏡中使用，要求工作臺結構緊湊并能在真空中工作。如圖10所示，工作臺采用了壓電元件驅動.柔性鉸鏈機構進行位移放大的方案。壓電元件在低 頻工作時的能量耗散為零，因此工作臺沒有內部熱源。工作臺可在50gm的工作范圍內，以1nm或更高的分辨率將物體線性定位。工作臺還被用于其它顯微物體，如生物細胞、空氣污染顆粒和石棉纖維等的尺寸精密測量。

掃描隧道顯微鏡(STM)測頭的運動范圍有限，因此有許多科研人員研制了壓電驅動柔性鉸鏈機構傳動的2維超精密工作臺以擴大STM的測量范圍。如美國國家標準局報道了一個有500pm ×500gm視場的掃描隧道顯微鏡口 。攜帶樣品的大范圍X—y工作臺的核心是鋁合金制作的單一柔性鉸鏈機構．每個運動方向均由一個壓電塊驅動.柔性鉸鏈機構的位移放大比約為18。工作臺與掃描范圍為8m×8pm的STM測頭協(xié)同工作實現(xiàn)大現(xiàn)場測量，該儀器的分辨率約為1nm。利用3個壓電元件驅動．柔性鉸鏈機構傳動可實現(xiàn)平面內的3自由度運動。韓國科學與技術高級研究所和密歌根技術大學聯(lián)合研制的XYO納米級超精密工作臺，由安裝于柔性鉸鏈機構內的3個壓電致動器控制其在X、y和Q方向的運動。柔性鉸鏈機構對壓電元件的變形具有放大作用。工作臺沿X軸的運動范圍為41.5m，沿y軸的運動范圍為47.8m，沿Z軸的轉動范圍為1.565mrad。它被應用于半導體的光刻。

利用蠕動式原理可將單一壓電元件驅動的柔性鉸鏈機構上3個不同自由度的位移合成，并實現(xiàn)大行程運動。由此可使工作臺的尺寸微小化，適用于在狹小空間實現(xiàn)較大行程的操作和定位。

超精密機械加工

由壓電元件、柔性鉸鏈機構和電容傳感器組成的微定位刀架用于超精密金剛石切削。刀架的行程為5um。微定位刀架自身的分辨率小于1nm，但由位移傳感器決定了其閉環(huán)系統(tǒng)的定位分辨率約為5nm。實驗測得刀具切深控制的分辨率小于25nm。

在精密聯(lián)接工藝，如激光焊接中，需要較大運動范圍、結構緊湊、高剛度、垂直運動的微動臺。因此設計了如圖11所示運動的微動臺,水平內置式壓電塊推動桿1和桿2，通過對稱的柔性鉸鏈放大機構將壓電塊位移轉化為臺面的垂直運動。該微動臺的運動范圍為200um，垂直剛度為6.0N／um，頻響為364Hz。

打印頭

壓電驅動，柔性鉸鏈機構傳動的原理被用于沖 擊式點陣打印機的打印頭。柔性鉸鏈機構將壓電塊的位移放大30倍，驅動打印針運動。同樣的7組打印針組成打印頭。一個字符可由7×6的點陣組成，由7針陣列的打印頭連續(xù)沖擊色帶進行打印。

光學自動聚焦

在自動化生產(chǎn)中，顯微鏡結合圖像處理作為傳感器得到廣泛應用。為了獲得高質量的圖像而需要高精度的自動聚焦系統(tǒng)。采用壓電驅動，柔性鉸鏈機構傳動的自動聚焦系統(tǒng)的重復精度達到0.035m，能對放大倍率為100的物鏡聚焦。而用傳統(tǒng)的步進馬達驅動、滾珠絲杠傳動來定位，精度僅為1um左右,物鏡的放大倍率也被限制在40左右。

壓電馬達

與流行的超聲行波壓電馬達不同，利用壓電驅動，柔性鉸鏈機構傳動實現(xiàn)動子和靜子問的夾緊和 步進轉動，可以得到另一種形式的壓電馬達。 以同樣的運動原理，還可設計成直線馬達。飛利浦公司設計的壓電驅動，柔性鉸鏈機構傳動的直 線馬達的靜態(tài)定位誤差為30nm，驅動力為3N． 最高速度為34mm／s。壓電直線馬達的柔性鉸 鏈機構采用一體化設計，并在固定的平行導軌中運 動，獲得了5nm的位移分辨率、90N／um的速度、 200N的輸出力，以及6mm／s的運動速度。 利用了柔性鉸鏈機構放大壓電元件的位移還 制成了徑向諧波馬達。

壓電馬達與常規(guī)馬達相比，在低速情況下可獲得高定位精度，并能承受一定的力矩或力，掉電時 可通過較高的摩擦力將轉子固定，因此適用于直接 驅動。但壓電馬達的能量轉換效率較低，壽命有限，價格高，功率不大。

主動式徑向空氣軸承

空氣軸承具有高精度和低摩擦力而在精密工程領域被廣泛采用，然而由于低的剛度和阻尼使其容 易振動，軸和軸承的形狀誤 差也會使轉軸的運動精度 降低。如圖12所示,利用柔性鉸鏈機構配以壓電驅動 閬整空氣墊位置的主動式 徑向空氣軸承可精密控制 軸的徑向位移。實驗表明，主動式徑向空氣軸承具有近乎無限的靜態(tài)剛度，并 提高了阻尼值，在750r／min的轉速下，軸的運動 精度優(yōu)于21nm。

微夾持器

在微型儀器的裝配、生物細胞的操作和傲細外科手術等領域需要使用微型夾持器。如圖13所示，微夾持器通過柔性鉸鏈杠桿機構將壓電驅動器的 位移放大70倍，使其2個手指合攏以抓取微小物體。

Arai等心研制的微夾 持器運用了2個壓電塊分別實現(xiàn)粗定位和精密定位。粗定位的壓電塊通過2級柔性鉸鏈杠桿機構放大得到最大位移為212.8m，精密定位的壓電塊通過一級柔性鉸鏈杠桿機構放大得到最大位移為849m。

結論

柔性鉸鏈具有結構簡單、運動平穩(wěn)、無需潤滑、 無回退空程、無摩擦、高精度等優(yōu)點。它在精密機 械 精密測量、微米技術和納米技術等領域應用廣泛。列舉了柔性鉸鏈在支撐結構、聯(lián)接結構、調整機 構和測量儀器中的典型應用。利用柔性鉸鏈機構傳 遞和放大壓電致動器位移是實現(xiàn)超精密位移和定位的重要方法，對其典型例子作了介紹。有助于全面了解和使用柔性鉸鏈及其機構。