CN102347318B - 全压电并排推动的三摩擦力步进器与扫描探针显微镜镜体 - Google Patents
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Abstract
本发明全压电并排推动的三摩擦力步进器，第一和第二压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第一基座上，构成第一驱动结构，特征是第三和第四压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第二基座上，构成第二驱动结构，第一和第二驱动结构的压电伸缩方向设置为一致，在此方向上第一和第二驱动结构相互配合滑动，在垂直于该滑动方向上设置将第一基座与第二基座相压的正压力以及将第一压电体自由端与第三压电体自由端相压的正压力和将第二压电体自由端与第四压电体自由端相压的正压力，在这三个正压力产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。优点是：推力大大增强，温漂大大减少。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种作为动子的滑杆也能进行压电助推的全压电并排推动的三摩擦力步进器以及用其制成的扫描探针显微镜镜体，属于压电***技术领域。
背景技术
压电马达因同时具有毫米以上的宏观大行程和纳米甚至埃米级超高精度而广泛应用于相机光路调节、显微镜镜头纳米精度调焦、原子分辨率的扫描探针显微镜，以及现代光学、微电子制造、航空航天、超精密机械制造、微机器人、地震测量，生物、医学、遗传工程(参见吉林大学压电驱动与控制技术研究中心刘建芳，杨志刚，程光明和华顺明2004年发表于《中国电机工程学报》第24卷第004期第102页的题为“压电驱动精密直线步进电机研究”的论文)，是非常重要的纳米科技与国家战略重点领域工具。
压电马达的种类很多，但原理上都是依靠压电体对动子产生重复累加的压电移动来推动动子相对于定子步进的。理想的压电马达要求能同时拥有原子级定位精度、毫米级大行程、从超低温到高于室温的大工作温区、大推力、小尺寸、低温漂，结构简单牢固和控制简单可靠。但这非常困难，现有技术中尚没有这种梦寐以求的压电马达。这主要是因为这些要求中很多是相互矛盾，难以调和的，例如：大推力和小尺寸，大推力和高精度，小尺寸与结构牢固，大行程与低温漂等等。
为了解决这些矛盾，我们之前已提出过两款近理想压电马达的专利申请：(1)双压电体并排推动的三摩擦力步进器与扫描探针显微镜(发明专利授权号：ZL200910116492.X)，(2)嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器与步进扫描器(发明专利申请号：201010254442.0)。在本发明中，我们在这两个发明的基础上进一步提出将其中的滑杆(即：动子)也设计成压电的，并能为步进而配合助推。这不仅能够使推力加倍(因为此时滑杆也具有推动能力)，温漂大大减小(因为滑杆与推动滑杆的致动器都由压电材料制成，热胀冷缩相抵消)，却不增加尺寸和复杂性等不利因素。
发明内容
本发明的目的：为了在不增加尺寸和复杂性的条件下提高压电马达的推力和抗温漂能力，提供一种滑杆也为压电体并能进行压电助推的全压电并排推动的三摩擦力步进器及其扫描探针显微镜。
本发明实现上述目的的技术方案是：
本发明全压电并排推动的三摩擦力步进器，包括第一和第二压电体、第一基座，所述第一和第二压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第一基座上，构成第一驱动结构，其特征是还包括第三和第四压电体、第二基座，所述第三和第四压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第二基座上，构成第二驱动结构，第一和第二驱动结构的压电伸缩方向设置为一致，为滑动方向，在此方向上第一和第二驱动结构相互配合滑动，在垂直于该滑动方向上设置将第一基座与第二基座相压的正压力以及将第一压电体自由端与第三压电体自由端相压的正压力和将第二压电体自由端与第四压电体自由端相压的正压力，在这三个正压力产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。
本发明双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构特点也在于：
所述第一基座通过第一基座弹性和/或第二基座弹性和/或增设弹性体与第二基座弹性相压，所述第一压电体自由端通过第一压电体自由端弹性和/或第三压电体自由端弹性和/或增设弹性体与第三压电体自由端弹性相压，所述第二压电体自由端通过第二压电体自由端弹性和/或第四压电体自由端弹性和/或增设弹性体与第四压电体自由端弹性相压。
所述第一和第二压电体为整体设置，或者所述第一和第二压电体与第一基座三者为整体设置，或者所述第三和第四压电体为整体设置，或者所述第三和第四压电体与第二基座三者为整体设置。
所述第一和第二压电体呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形第一基座上，构成管形第一驱动结构，所述第三和第四压电体呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形第二基座上，构成管形第二驱动结构，所述管形第二驱动结构套于管形第一驱动结构之内，且内部的两个半管形正对着外部的两个半管形。
所述第一和第二压电体分别为沿管形体中轴线对称剖开的四个四分之一管形中相对的两个四分之一管形对，它们围合起来固定站立于环形第一基座上，构成管形第一驱动结构，所述第三和第四压电体分别为沿管形体中轴线对称剖开的四个四分之一管形中相对的两个四分之一管形对，它们围合起来固定站立于环形第二基座上，构成管形第二驱动结构，所述管形第二驱动结构套于管形第一驱动结构之内，且内部的四个四分之一管形正对着外部的四个四分之一管形。
所述第一、第二第三和第四压电体或者站立成方阵，或者站立成队列。
所述第一、第二第三和第四压电体为压电片叠堆。
本发明由所述双压电体并排推动的三摩擦力步进器制成扫描探针显微镜镜体所采用的技术方案是：包括压电扫描管和所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，该压电扫描管的一端固定于所述全压电并排推动的三摩擦力步进器的第三压电体的自由端，该压电扫描管的轴向与该全压电并排推动的三摩擦力步进器的滑动方向一致。
本发明由所述双压电体并排推动的三摩擦力步进器制成的扫描探针显微镜镜体的结构特点也在于：包括压电扫描管和所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，该压电扫描管的一端固定于所述全压电并排推动的三摩擦力步进器的第二基座上，该压电扫描管的轴向与该全压电并排推动的三摩擦力步进器的滑动方向一致。
本发明全压电并排推动的三摩擦力步进器的工作原理为：
参见附图1，第一和第二压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第一基座上，构成第一驱动结构；第三和第四压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第二基座上，构成第二驱动结构，第一和第二驱动结构的压电伸缩方向设置为一致，为滑动方向，在此方向上第一和第二驱动结构相互配合滑动，在垂直于该滑动方向上设置将第一基座与第二基座相压的正压力以及将第一压电体自由端与第三压电体自由端相压的正压力和将第二压电体自由端与第四压电体自由端相压的正压力，在这三个正压力产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。工作时，可先将初态设置为第一和第二压电体皆为收缩状态，第三和第四压电体皆为伸长状态。接着，这四个压电体同时往相反的伸缩态形变：第一和第二压电体同步伸长，同时，第三和第四压电体同步收缩。由于第一和第三压电体自由端之间的最大静摩擦力f1与第二和第四压电体自由端之间的最大静摩擦力f2是同向的，它们之和(f1+f2)大于与之对抗的第一和第二基座间的最大静摩擦力f3，所以第一和第二基座之间就被拉着产生相对位移，即：步进了一步。接着，第一和第三压电体同时往各自的初态形变而第二和第四压电体状态维持不变，这时，第一和第三压电体自由端之间将产生相对位移，从而第一和第三压电体都能回到它们各自的初态，因为它们自由端之间的最大静摩擦力f1小于(对抗不了)另两个同向的最大静摩擦力f2和f3之和。接着，第二和第四压电体同时往各自的初态形变而第一和第三压电体状态维持不变，这时，第二和第四压电体自由端之间将产生相对位移，从而第二和第四压电体都能回到它们各自的初态，因为它们自由端之间的最大静摩擦力f2小于(对抗不了)另两个同向的最大静摩擦力f1和f3之和。既然第一、第二、第三和第四压电体均能回到它们各自的初态，且第一和第二基座间已发生了相对位移，这个过程就能重复进行，实现步进。同理，步进也可往反方向进行。
在上述的步进过程中，第二驱动结构可以看成是动子(即：滑杆)，其伸缩运动总是与第二驱动结构的伸缩运动相向，这相对于没有压电伸缩功能的普通滑杆能产生更大的相对压电位移，也即能产生更大的推力。此外，由于第一和第二驱动结构都是压电材料制成且结构相似，它们之间的温漂可以很好地相互抵消，致使在温度起伏较大，甚至在有目的地进行变温时，它们之间不会发生涨落性的(不可控的)相对移动。这就实现了本发明的目的。
上述将第一和第二驱动结构自由端相压的正压力以及将第一和第二基座相压的正压力可通过弹性体、磁性体和/或带电体实现。这些弹性体、磁性体和/或带电体可以和上述相压双方中的一方固定，或者与双方都不固定，或者干脆就是一方的一部分。
上述第一和第二压电体可以为一个完整压电体的不同部分，第一和第二压电体也可以和第一基座三者为一个完整压电体的不同部分，只要第一和第二压电体的伸缩独立可控即可。上述第三和第四压电体可以为一个完整压电体的不同部分，第三和第四压电体也可以和第二基座三者为一个完整压电体的不同部分，只要第三和第四压电体的伸缩独立可控即可。
上述第一驱动结构中的第一和第二压电体可以为两个半管形，它们围合起来固定站立在环形的第一基座上构成管形第一驱动结构；而第二驱动结构也为这样的管形结构，并套于管形第一驱动结构之内，且内部的两个半管形正对着外部的两个半管形。这种相互嵌套的管形结构是高度对称的，能进一步消除径向的温度漂移。
上述第一驱动结构中的第一和第二压电体也可以分别为沿管形体中轴线对称剖开的四个四分之一管形中相对的两个四分之一管形对，它们围合起来固定站立于环形第一基座上，构成管形第一驱动结构，而第二驱动结构也为这样的管形结构，并套于管形第一驱动结构之内，且内部的四个四分之一管形正对着外部的四个四分之一管形。这种相互嵌套的管形结构也是高度对称的，也能消除径向的温度漂移。
上述第一、第二第三和第四压电体也可站立成方阵或者队列，第一、第二第三和第四压电体可为压电片叠堆(piezoelectric stack)以增加每个压电片的推力。
上述全压电并排推动的三摩擦力步进器可制成扫描探针显微镜镜体：增设压电扫描管，其一端或者固定于所述步进器的第三压电体的自由端或者固定于所述步进器的第二基座上，该压电扫描管的轴向与该进器的滑动方向一致。
根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)在不增加尺寸和复杂性的条件下，由于动子也具有推动能力，所以总推力增加一倍。当然，其它相关的一些性能也相应改进了：步长、步进速度、启动电压。
(2)在不增加尺寸和复杂性的条件下，由于动子与驱动它的压电致动器都是由压电材料制成，它们间的热胀冷缩相抵，所以温漂大大减少，这对原子分辨率的应用是极为重要的。当然，其它相关的一些性能也相应改进了：定位精度、定位稳定性。
由于上述优点，本发明就更接近理想步进器了。
附图说明
图1是本发明基本型全压电并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。
图2是本发明四分之一管型全压电并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。
图3是本发明方阵型全压电并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。
图4是本发明竖叠堆型全压电并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。
图5是本发明横叠堆型全压电并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。
图中标号：1第一压电体、2第二压电体、3第三压电体、4第四压电体、5第一基座、6第二基座、7弹性体、8滑动方向。
以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
实施例1：基本型全压电并排推动的三摩擦力步进器
参见附图1，基本型全压电并排推动的三摩擦力步进器包括第一压电体1和第二压电体2、第一基座5，所述第一压电体1和第二压电体2按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第一基座上5，构成第一驱动结构，其特征是还包括第三压电体3和第四压电体4、第二基座6，所述第三压电体3和第四压电体4按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第二基座上6，构成第二驱动结构，第一和第二驱动结构的压电伸缩方向设置为一致，为滑动方向8，在此方向上第一和第二驱动结构相互配合滑动，在垂直于该滑动方向上设置将第一基座5与第二基座6相压的正压力以及将第一压电体1自由端与第三压电体3自由端相压的正压力和将第二压电体2自由端与第四压电体4自由端相压的正压力，在这三个正压力产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。
工作时，可先将初态设置为第一和第二压电体1，2皆为收缩状态，第三和第四压电体3，4皆为伸长状态。接着，这四个压电体同时往相反的伸缩态形变：第一和第二压电体1，2同步伸长，同时，第三和第四压电体3，4同步收缩。由于第一和第三压电体1，3自由端之间的最大静摩擦力f1与第二和第四压电体2，4自由端之间的最大静摩擦力f2是同向的，它们之和(f1+f2)大于与之对抗的第一和第二基座5，6间的最大静摩擦力f3，所以第一和第二基座5，6之间就被拉着产生相对位移，即：步进了一步。接着，第一和第三压电体1，3同时往各自的初态形变而第二和第四压电体2，4状态维持不变，这时，第一和第三压电体1，3自由端之间将产生相对位移，从而第一和第三压电体1，3都能回到它们各自的初态，因为它们自由端之间的最大静摩擦力f1小于(对抗不了)另两个同向的最大静摩擦力f2和f3之和。接着，第二和第四压电体2，4同时往各自的初态形变而第一和第三压电体1，3状态维持不变，这时，第二和第四压电体2，4自由端之间将产生相对位移，从而第二和第四压电体2，4都能回到它们各自的初态，因为它们自由端之间的最大静摩擦力f2小于(对抗不了)另两个同向的最大静摩擦力f1和f3之和。既然第一、第二、第三和第四压电体1，2，3，4均能回到它们各自的初态，且第一和第二基座5，6间已发生了相对位移，这个过程就能重复进行，实现步进。同理，步进也可往反方向进行。
在上述的步进过程中，第二驱动结构可以看成是动子(即：滑杆)，其伸缩运动总是与第二驱动结构的伸缩运动相向，这相对于没有压电伸缩功能的普通滑杆能产生更大的相对压电位移，也即能产生更大的推力。此外，由于第一和第二驱动结构都是压电材料制成且结构相似，它们之间的温漂可以很好地相互抵消，致使在温度起伏较大，甚至在有目的地进行变温时，它们之间不会发生涨落性的(不可控的)相对移动。这就实现了本发明的目的。
可以选择让第一基座5与第二基座6相压的正压力等于第一压电体1自由端与第三压电体3自由端相压的正压力等于第二压电体2自由端与第四压电体4自由端相压的正压力，从而在摩擦系数相等时，这三个正压力产生的最大静摩擦力相等，这是满足任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和的一个实例。
上述将第一和第二驱动结构自由端相压的正压力以及将第一和第二基座5，6相压的正压力可通过弹性体、磁性体和/或带电体实现。这些弹性体、磁性体和/或带电体可以和上述相压双方中的一方固定，或者与双方都不固定，或者干脆就是一方的一部分。
上述第一和第二压电体1，2可以为一个完整压电体的不同部分，参见附图2，第一和第二压电体1，2也可以和第一基座5三者为一个完整压电体的不同部分，参见附图2，只要第一和第二压电体1，2的伸缩独立可控即可。上述第三和第四压电体3，4可以为一个完整压电体的不同部分，参见附图2，第三和第四压电体3，4也可以和第二基座6三者为一个完整压电体的不同部分，参见附图2，只要第三和第四压电体3，4的伸缩独立可控即可。实施例2：弹力型全压电并排推动的三摩擦力步进器
在上面实施例1中，所述第一基座5通过第一基座5弹性和/或第二基座6弹性和/或增设弹性体7与第二基座6弹性相压，所述第一压电体1自由端通过第一压电体1自由端弹性和/或第三压电体3自由端弹性和/或增设弹性体7与第三压电体3自由端弹性相压，所述第二压电体2自由端通过第二压电体2自由端弹性和/或第四压电体4自由端弹性和/或增设弹性体7与第四压电体4自由端弹性相压。
实施例3：半管型全压电并排推动的三摩擦力步进器
上述实施例1和2中，第一驱动结构中的第一和第二压电体可以为两个半管形，它们围合起来固定站立在环形的第一基座5上构成管形第一驱动结构；而第二驱动结构也为这样的管形结构，并套于管形第一驱动结构之内，且内部的两个半管形正对着外部的两个半管形。这种相互嵌套的管形结构是高度对称的，能进一步消除径向的温度漂移。实施例4：四分之一管型全压电并排推动的三摩擦力步进器
上述实施例1和2中，第一驱动结构中的第一和第二压电体1，2也可以分别为沿管形体中轴线对称剖开的四个四分之一管形中相对的两个四分之一管形对，参见附图2，它们围合起来固定站立于环形第一基座5上，构成管形第一驱动结构，而第二驱动结构也为这样的管形结构，并套于管形第一驱动结构之内，且内部的四个四分之一管形正对着外部的四个四分之一管形。这种相互嵌套的管形结构也是高度对称的，也能消除径向的温度漂移。
实施例4：方阵或队列型全压电并排推动的三摩擦力步进器
上述实施例中，第一、第二第三和第四压电体1，2，3，4可站立成方阵(参见附图3)或者队列(参见附图1)，第一、第二第三和第四压电体1，2，3，4可为压电片叠堆(piezoelectric stack)，参见附图4和附图5，以增加每个压电片的推力。
实施例5：全压电并排推动的三摩擦力步进器制成的扫描探针显微镜镜体
上述全压电并排推动的三摩擦力步进器可制成扫描探针显微镜镜体：增设压电扫描管，其一端或者固定于所述步进器的第三压电体3的自由端或者固定于所述步进器的第二基座6上，该压电扫描管的轴向与该进器的滑动方向8一致。
Claims (9)
1.一种全压电并排推动的三摩擦力步进器，包括第一和第二压电体、第一基座，所述第一和第二压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第一基座上，构成第一驱动结构，其特征是还包括第三和第四压电体、第二基座，所述第三和第四压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于第二基座上，构成第二驱动结构，第一和第二驱动结构的压电伸缩方向设置为一致，为滑动方向，在此方向上第一和第二驱动结构相互配合滑动，在垂直于该滑动方向上设置将第一基座与第二基座相压的正压力以及将第一压电体自由端与第三压电体自由端相压的正压力和将第二压电体自由端与第四压电体自由端相压的正压力，在这三个正压力产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。
2.根据权利要求1所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，其特征是所述第一基座通过第一基座弹性和/或第二基座弹性和/或增设弹性体与第二基座弹性相压，所述第一压电体自由端通过第一压电体自由端弹性和/或第三压电体自由端弹性和/或增设弹性体与第三压电体自由端弹性相压，所述第二压电体自由端通过第二压电体自由端弹性和/或第四压电体自由端弹性和/或增设弹性体与第四压电体自由端弹性相压。
3.根据权利要求1或2所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，其特征是所述第一和第二压电体为一体成型，或者所述第一和第二压电体与第一基座三者为一体成型，或者所述第三和第四压电体为一体成型，或者所述第三和第四压电体与第二基座三者为一体成型。
4.根据权利要求1或2所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，其特征是所述第一和第二压电体呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形第一基座上，构成管形第一驱动结构，所述第三和第四压电体呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形第二基座上，构成管形第二驱动结构，所述管形第二驱动结构套于管形第一驱动结构之内，且内部的两个半管形正对着外部的两个半管形。
5.根据权利要求1或2所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，其特征是所述第一和第二压电体分别为沿管形体中轴线对称剖开的四个四分之一管形中相对的两个四分之一管形对，它们围合起来固定站立于环形第一基座上，构成管形第一驱动结构，所述第三和第四压电体分别为沿管形体中轴线对称剖开的四个四分之一管形中相对的两个四分之一管形对，它们围合起来固定站立于环形第二基座上，构成管形第二驱动结构，所述管形第二驱动结构套于管形第一驱动结构之内，且内部的四个四分之一管形正对着外部的四个四分之一管形。
6.根据权利要求1或2所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，其特征是第一、第二第三和第四压电体或者站立成方阵，或者站立成队列。
7.根据权利要求6所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，其特征是第一、第二第三和第四压电体为压电片叠堆。
8.一种权利要求1所述全压电并排推动的三摩擦力步进器制成的扫描探针显微镜镜体，其特征是包括压电扫描管和所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，该压电扫描管的一端固定于所述全压电并排推动的三摩擦力步进器的第三压电体的自由端，该压电扫描管的轴向与该全压电并排推动的三摩擦力步进器的滑动方向一致。
9.一种权利要求1所述全压电并排推动的三摩擦力步进器制成的扫描探针显微镜镜体，其特征是包括压电扫描管和所述全压电并排推动的三摩擦力步进器，该压电扫描管的一端固定于所述全压电并排推动的三摩擦力步进器的第二基座上，该压电扫描管的轴向与该全压电并排推动的三摩擦力步进器的滑动方向一致。
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