CN107681917A - 一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，包括基座、一个压电叠堆、一个刚性传力块、一个柔性传力块(由一个铍铜弹簧片和两个螺丝构成)和滑杆。所述压电叠堆按正负极相互短接垂直固定于基座上，并于其上施加一路锯齿波电压驱动信号，所述刚性传力块粘接固定于压电叠堆自由端，与柔性传力块通过挤压方式固定滑杆，挤压压力满足：刚性传力块和柔性传力块对滑杆的最大静摩擦力略大于滑杆自身重力。本发明结构简单易制作，仅需一个压电叠堆和一路锯齿波电压驱动信号即可控制滑杆的步进行走，同时，本发明摩擦力可调，驱动力可控，刚性强，具有纳米级步进精度，适合作为极端条件下的微型扫描探针显微镜的微调定位装置。

Description

一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达

技术领域

本发明属于压电***技术领域，涉及一种微驱动***，具体涉及一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达。

背景技术

纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。随着纳米科学技术的发展，又引发了一系列新的科学技术，如纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学和纳米计量学等，而纳米马达正是纳米科技研究中用于纳米定位和纳米测量的新型微驱动***。

纳米步进马达是一种能够同时实现纳米级定位精度和厘米级行程的压电***，它主要利用压电陶瓷基片或薄膜、电致伸缩材料的声振动和微小形变的累加效果来产生移动，而压电叠堆则是在此基础上扩大了其性能：不仅保持了压电陶瓷片原有的特性和优点，而且其位移量和输出力都有较大提高。由于纳米步进马达具有结构简单、设计灵活、驱动力大等优点而被广泛应用于纳米技术、微机械和微***、通讯传感技术、半导体技术、电子扫描技术、微生物技术等领域，特别是在极低温和超强磁场等极端条件下作为微型扫描探针显微镜的微调定位装置。

公开号为CN107086812ACN、名称为“一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达”的发明公开的基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，包括基座、两个剪切压电叠堆、传力块(包括一个刚性导向槽和一个铍铜弹簧片)和滑杆。其中，两个剪切压电叠堆正负极分别短接，并且按照伸缩方向平行固定于基座上，利用刚性导向槽凹槽的两条棱和铍铜弹簧片将滑杆通过挤压方式固定于两个剪切压电叠堆之间，基于滑杆的惯性，当在压电叠堆上施加一路锯齿波电压驱动信号，便会实现滑杆的一次步进。该发明中，刚性导向槽凹槽的棱间距略小于滑杆的直径，通过调节滑杆与传力块之间的摩擦力实现步进。因此，该发明对刚性导向槽的加工精度要求较高，同时也要确保铍铜弹簧片与滑杆接触面的光滑程度。当滑杆反向步进时，不太容易调节导向槽凹槽两条棱对滑杆的最大静摩擦力与滑杆自身重力之间的大小关系，增加了调试的难度。

现就目前应用较为广泛的几款马达结构进行比较：

(1)Pan型压电步进马达：使用6组剪切剪切压电叠堆相互挤压固定中心的滑杆，通过控制器和高压放大器输出6路高压脉冲信号驱动剪切剪切压电叠堆交替滑动实现步进，步进完成后通过置于滑杆顶部的压电扫描管进行扫描。由于其工作原理及结构，很难将其尺寸缩小，其高压信号势必会给成像带来一定的电子噪声，且制作较为复杂，成本高。

(2)Koala压电马达及Panda马达：使用两个压电扫描管串联，利用固定于压电扫描管顶部、中部和底部的三组弹簧挤压固定置于中心的滑杆，然后通过脉冲电压信号控制两个压电扫描管的有序伸缩，实现粗逼近，步进完成后，利用第三根压电扫描管进行扫描。这两款马达需要高精度的加工工具以确保三组弹簧片拥有相同的弹性系数，结构稳定性不高。

(3)叠堆型Tuna马达：使用5个压电叠堆实现步进，其中两个前肢堆和两个后肢堆分别相互串联，通过放大器有序的输出两路高频周期性振动信号降低前、后肢堆与滑杆间的摩擦力，然后再由另一路不同频率的伸缩信号控制体叠堆的伸缩，以带动前后肢堆的移动实现整体的步进。在此款马达中，需要三路不同频率的控制信号，增加了控制难度且整体刚性不强。

发明内容

本发明目的是在上述现有技术的马达的基础上，降低压电马达的结构复杂度、增强结构刚度和提高步进精度。为此本发明提供了一种新型的由单个压电叠堆推进的惯性纳米步进马达，该马达制作简单且材料易于获取，仅需一个压电叠堆、一个刚性传力块、一个柔性传力块和一路锯齿波电压驱动信号即可控制滑杆的前后步进，具有纳米级定位精度和厘米级的调节范围，此外，本发明刚性强，摩擦力可调，驱动力可控，适合作为极端条件下的微型扫描探针显微镜的微调定位装置。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，包括基座、一个压电叠堆、一个刚性传力块、一个柔性传力块和滑杆，所述压电叠堆按正负极相互短接垂直固定于基座上，并于其上施加一路驱动信号，所述刚性传力块粘接于压电叠堆的自由端，并与柔性传力块通过挤压方式固定滑杆，该挤压压力满足：刚性传力块和柔性传力块对滑杆的最大静摩擦力略大于滑杆自身重力。

进一步，上述刚性传力块由一个刚性导向槽和四颗粘贴于刚性导向槽内壁的氮化硅圆球组成。

进一步，上述刚性导向槽可以由任何刚性较强且易加工的材料加工而成。

进一步，上述柔性传力块由一个铍铜弹簧片和两个穿过铍铜弹簧片并固定于刚性导向槽的上螺丝组成。

进一步，上述驱动信号为锯齿波电压驱动信号。

相较于现有技术，本发明的有益效果体现在：

1.摩擦力可调结构刚性强：利用螺丝调节铍铜弹簧片对滑杆的挤压力，进而调节传力块与滑杆间的最大静摩擦力，提高了马达整体的刚性及步进精度。

2.单压电叠堆驱动步进，结构简单易实现：仅需要一个压电叠堆和一路锯齿波电压驱动信号即可控制马达的步进行走，同时马达材料易于获取，制作也非常简单，整体马达易实现。

3.驱动力可控：由于本发明是基于滑杆的惯性进行步进，所以驱动力在理论上仅取决于传力块对滑杆的挤压力与滑杆的长度。

附图说明

图1是本发明的结构安装示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的刚性传力块结构示意图；

图4是本发明的驱动信号示意图；

图5是本发明的向上步进示意图；

图中：1基座；2压电叠堆；3刚性传力块；4螺丝；5铍铜弹簧片；6滑杆；7氮化硅圆球；8刚性导向槽。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细的说明。

结合之前公开号为CN107086812ACN，名称为“一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达”的发明公开的基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，本发明在原有导向槽的内壁上粘接了4颗氮化硅圆球，降低了其与滑杆间的摩擦力，同时，本发明只使用一个压电叠堆进行惯性驱动，通过调节铍铜弹簧片对滑杆的挤压力，调节传力块与滑杆间的最大静摩擦力，摩擦力可调，整体结构简单易实现。

如图1所示，本发明所述一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，包括基座1、一个压电叠堆2、一个刚性传力块3、一个柔性传力块和滑杆6，所述压电叠堆2按正负极相互短接垂直固定于基座1上，并于其上施加一路驱动信号，所述刚性传力块3粘接固定于压电叠堆2的自由端，并与柔性传力块通过挤压方式固定滑杆6，挤压压力满足：刚性传力块3和柔性传力块对滑杆的最大静摩擦力略大于滑杆自身重力。

如图2所示，所述柔性传力块由一个铍铜弹簧片5和两个穿过铍铜弹簧片5并固定于刚性导向槽8上的螺丝4组成，利用螺丝4调节铍铜弹簧片5对滑杆6的挤压力，进而调节传力块与滑杆6间的最大静摩擦力。

如图3所示，所述刚性传力块3由一个刚性导向槽8和四颗粘贴于刚性导向槽8内壁的氮化硅圆球7构成，并且所述刚性导向槽8可以由任何刚性较强且易加工的材料加工而成。

如图4所示，所述驱动信号为锯齿波电压驱动信号。

如图5所示，本发明所述一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达的工作过程如下：

T0-T1时段，给压电叠堆2施加一路缓慢伸长的电压信号，根据压电陶瓷片的压电效应，压电叠堆2会缓慢伸长，在静摩擦力的作用下，固定于压电叠堆2自由端的传力块将会带动滑杆6向上移动，此时间段，压电叠堆2与滑杆6保持相对静止。

T1时刻，将施加于压电叠堆2上的电压信号突然撤除，压电叠堆2将带动传力块瞬间收缩至初始状态，由于滑杆6自身的惯性作用，滑杆6将继续保持原有的状态，因此，滑杆6将相对于压电叠堆2产生向上的相对滑动，从而实现一次向上步进。

如此循环往复即可实现马达向上的连续步进，同理，施加反向锯齿波电压驱动信号即可控制马达向下连续步进。

Claims (5)

1.一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，包括基座、一个压电叠堆、一个刚性传力块、一个柔性传力块和滑杆，所述压电叠堆按正负极相互短接垂直固定于基座上，并于其上施加一路驱动信号，所述刚性传力块粘接固定于压电叠堆的自由端，并与柔性传力块通过挤压方式固定滑杆，挤压压力满足：刚性传力块和柔性传力块对滑杆的最大静摩擦力略大于滑杆自身重力。

2.根据权利要求1所述基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，其特征在于所述刚性传力块由一个刚性导向槽和四颗粘贴于刚性导向槽内壁的氮化硅圆球组成。

3.根据权利要求2所述基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，其特征在于所述刚性导向槽可以由任何刚性较强且易加工的材料加工而成。

4.根据权利要求1所述基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，其特征在于所述柔性传力块由一个铍铜弹簧片和两个穿过铍铜弹簧片并固定于刚性导向槽上的螺丝组成。

5.根据权利要求1所述基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，其特征在于所述驱动信号为锯齿波电压驱动信号。