CN102376696B - 嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器与步进扫描器 - Google Patents
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Abstract
本发明嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器与步进扫描器涉及压电步进器，包括两个压电管、两个保护片、基座、导向器，两压电管中的一个固定地立于基座上构成内压电管，而另一个套在所述内压电管之外也固定地立于该基座上构成外压电管，这两个压电管的压电伸缩方向相同，都为轴向，两个保护片分别设置在这两个压电管的自由端，导向器或者置于内压电管的内部或者置于外压电管的外部或者置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，在垂直于所述压电伸缩方向上设置将所述基座和两保护片分别与导向器相压的正压力，本发明在不显著增加尺寸和不使用堆栈的情况下能产生更大推力，并能在更低的温度下完成高精度的步进和扫描工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器以及用其制成的步进扫描器，属于压电定位器技术领域。
背景技术
压电定位器能在宏观(毫米)范围内把物体定位到纳米精度，因而在纳米科学与技术领域中(包括原子成像、原子操纵等亚纳米领域)成为必不可少的工具。但压电效应一般较弱，压电形变产生的推力也较小，推动不了稍大的物体。压电定位器通常也难以工作于低温(如液氦温度)领域，因为在低温下压电形变进一步减小，给出的推力甚至小到不能克服摩擦阻力或负载重力而产生位移。
把压电材料做成多级压电堆栈(piezo stack)能给出较大的推力，但工艺复杂，定位精度变低，并且把压电材料粘接成堆栈所用的胶在低温下性能变差，且对超高真空具有破坏作用，十分不利于极端物理条件下的科研应用。
我们以前提出的双压电体并排推动的三摩擦力步进器(发明专利申请号：200910116492.X)，其一个重要的实施例为实施例4：管形双压电体并排推动的三摩擦力步进器。我们发现：现当围合成管形的双半管形压电体的长度小于3厘米时，步进器在液氦温度下就走不动了(在液氮温度下依然能工作)。增加双压电体的长度或将每个压电体制成压电堆栈可使步进器在液氦温度下工作，这是一个较显而易见的解决方案，但其更大的尺寸或更复杂的结构均难以在极端条件(空间小、真空度高)下得到广泛应用。
为此，我们在本发明中设计出了在不显著增加尺寸和不使用堆栈的情况下，能产生更大推力或能在更低温度下工作的压电步进器，并因其压电管不需要切割，保持了原有的完整性和刚性，故能步进地更稳健、更精密，其结构也更牢固(不易受外界震动的干扰，而通常外界震动很容易就能破坏原子级精度的应用，如扫描探针显微镜)。此外，本发明在结构上具有高度的对称性，能大大减少温度变化引起的热漂移，这对原子级定位精度的应用是非常重要的。
发明内容
本发明的目的：为解决上述缺陷，提出一种在不显著增加尺寸和不使用堆栈的情况下，能产生更大推力或能在更低温度下工作的压电定位器，并用其制成具有扫描功能的步进扫描器。
本发明实现上述目的的技术方案是：
本发明嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，包括两个压电管、两个保护片、基座、导向器，所述两压电管中的一个固定地立于基座上构成内压电管，而另一个套在所述内压电管之外也固定地立于该基座上构成外压电管，这两个压电管的压电伸缩方向相同，都为轴向，两个保护片分别设置在这两个压电管的自由端，导向器或者置于内压电管的内部或者置于外压电管的外部或者置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，在垂直于所述压电伸缩方向上设置将所述基座和两保护片分别与导向器相压的正压力，在这三个正压力对导向器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。
所述导向器通过导向器弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压，所述导向器通过导向器弹性和/或保护片弹性和/或增设弹性体与两保护片弹性相压。
所述两个保护片和基座均为环形，导向器为管形或柱形，其两端分别沿其轴线方向向另一端切入但不完全切分离，导向器设置于内压电管的内部，其两端外壁以弹力分别与环形基座的内侧以及两环形保护片的内侧相压。
所述导向器为方管形或圆管形或方柱形或圆柱形。
所述导向器为管形或围栏形并套在所述外压电管的外面，并与基座以及两保护片相压。
所述围栏的栏柱数目为2或3或4个。
所述栏柱或以圆柱面或以刀刃分别与所述基座和两保护片产生正压力。
嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器制成的步进扫描器，包括压电扫描管和所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，压电扫描管固定地立于所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的基座上，该压电扫描管的轴线方向与所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的内和外压电管的轴线方向相同。
本发明嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的工作原理为：内压电管固定地立于基座上，而外压电管套在内压电管的外部也固定地立于该基座上，且两压电管的伸缩方向相同，都是轴向；
两压电管的自由端分别固定有保护片，导向器或者置于内压电管的内部或者置于外压电管的外部或者置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，在垂直于所述伸缩方向上设置将导向器与两保护片相压的正压力以及将导向器与基座相压的正压力，在这三个正压力对导向器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，可先将初态设置为两压电管皆为收缩状态，接着，两压电管同时伸长，这将带动基座相对于导向器沿该伸长方向移动，因为此时两压电管自由端的保护片与导向器间的静摩擦力都是推着基座沿导向器往两压电管伸长方向移动，而基座与导向器间的静摩擦力是阻止该移动的阻力。由于基座与导向器间的最大静摩擦力小于两保护片与导向器间的最大静摩擦力之和，所以基座相对于导向器步进了一步。接着，两压电管中的一个收缩(形变还原)，另一个保持伸长状态不变。此时收缩压电管自由端的保护片会在导向器上滑动，而另一压电管自由端的保护片以及基座在导向器上都没有滑动，因为收缩压电管自由端保护片与导向器间的最大静摩擦力小于另一保护片-导向器间最大静摩擦力与基座-导向器间最大静摩擦力之和。收缩压电管就恢复了最初的收缩状态且没有使基座相对于导向器滑动。再接着，还保持伸长状态的那个压电管收缩，同理可知，它也能恢复最初的收缩状态且不使基座相对于导向器滑动。至此，基座已相对于导向器步进了一步且两压电管都恢复到最初的收缩状态。重复上述步骤可使基座相对于导向器一步步地沿两压电管伸长方向步进。
同理，如果让初态皆为收缩状态的上述两压电管按照：一个伸长-另一个伸长-同时收缩的顺序来重复进行，可使基座相对于导向器一步步地沿两压电管收缩方向步进。
上述两压电管的嵌套结构不会显著比单个压电管在尺寸上大很多，也不是多层压电材料以胶粘结成的堆栈结构，不会降低定位精度和对超高真空产生破坏，但其推力比近乎同尺寸的一个压电管通过分割电极产生两个半管压电体的推力大一倍，从而实现了本发明的目的。本发明的两压电管嵌套结构是高度对称的，对温度漂移有很好的抵消作用，所以能减少温漂对定位精度的影响，特别适用于定位精度高达原子级别的扫描探针显微镜领域。两压电管也不需要通过切割来分隔电极，所以具有很高的刚性，大大增加了其抵抗外界震动干扰的能力。
由上述原理知，所述导向器的作用是(1)对基座和两保护片产生垂直于压电管伸缩方向的正压力，从而能在该伸缩方向上获得可配合产生步进的摩擦力；(2)对步进起一个导向作用。
所述导向器与基座间的正压力可以是导向器通过导向器弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压来产生的，所述导向器分别与两保护片间产生的正压力可以是导向器通过导向器弹性和/或保护片弹性和/或增设弹性体与两保护片分别弹性相压来产生的。所述弹性只存在于所述正压力方向，而在压电伸缩方向上导向器、基座和两保护片在摩擦力作用下产生的形变量应小于内和外压电管的压电伸缩量。
导向器对步进的导向作用可以由下述结构实现：导向器设置于内压电管的内部(包含从内压电管内穿出)，导向器为管形或柱形，其两端分别沿其轴线方向向另一端切入但不完全切分离，这使得导向器具有弹性，或者可以在导向器的内部增设弹簧使得导向器可以对外产生弹力，导向器两端外壁以弹力分别与环形基座的内侧以及两环形保护片的内侧相压。
导向器对步进的导向作用也可以由下述结构实现：导向器设置于外压电管外部，导向器为管形或为围栏形(由栏柱和固定各栏柱的围杆构成)，栏柱的数目为2或3或4，这些栏柱均匀分布在外压电管的外围，所述栏柱或以圆柱面或以刀刃分别与所述基座和两保护片产生正压力。
导向器对步进的导向作用也可以由下述结构实现：导向器设置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，这时，基座不能完全把该间隙填满，需开有孔或缝隙让导向器有一部分可以穿过基座，导向器为管形或为围栏形，栏柱的数目为2或3或4，这些栏柱均匀分布在所述间隙中，所述栏柱或以圆柱面或以刀刃分别与所述基座和两保护片产生正压力。
我们也可以增设一个压电扫描管并将其固定地立于所述基座上，并与所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的内和外压电管具有相同的压电伸缩方向，所述内和外压电管构成的管套管结构与该压电扫描管或者分处基座的正反两侧或者处于基座的同一侧，对于后一种情况，所述压电扫描管或者套在外压电管的外面或者被套在内压电管的内部。这样，所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器除了能够步进之外，还能在步进到位后利用所述的压电扫描管实现扫描成像功能。
根据上述原理可以看出，与以近乎同尺寸的一个压电管通过分割电极产生两个半管压电体制成的双压电体并排推动的三摩擦力步进器相比，本发明的有益效果体现在：
(a)推力大一倍：不仅能推动更大的负载，也能在更低的温度下工作。
(b)具有更高的对称性：抗温漂的能力强。
(c)具有更大的刚性：抗震动干扰的能力强。
(d)接近理想步进器：由于上述优点，本发明就非常接近理想步进器了。
附图说明
图1是本发明基本型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的结构示意图。
图2是本发明内置弹性导向器型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的结构示意图。
图3是本发明导向器置于内和外压电管之间隙中的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的结构示意图。
图4是本发明栏柱数为2的围栏导向器型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的结构示意图。
图5是本发明刀刃导向器型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的结构示意图。
图中标号：1压电管(内压电管)、2另一个压电管(外压电管)、3保护片(内压电管保护片)、4另一保护片(外压电管保护片)、5基座、6导向器、7压电伸缩方向、8弹性体、9栏柱、10压电扫描管。
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：基本型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器
参见附图1，本实施例基本型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器包括两个压电管1、2，两个保护片3、4，基座5、导向器6，所述两压电管1、2中的一个固定地立于基座5上构成内压电管1，而另一个套在所述内压电管1之外也固定地立于该基座5上构成外压电管2，这两个压电管1、2的压电伸缩方向7相同，都为轴向，两个保护片3、4分别设置在这两个压电管1、2的自由端，导向器6或者置于内压电管1的内部(包含从内压电管1内穿出)或者置于外压电管2的外部或者置于内压电管1外壁与外压电管2内壁间的间隙中，在垂直于所述压电伸缩方向7上设置将所述基座5和两保护片3、4分别与导向器5相压的正压力，在这三个正压力对导向器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。
本实施例的工作原理为：可先将初态设置为两压电管1、2皆为收缩状态，接着，两压电管1、2同时伸长，这将带动基座5相对于导向器6沿该伸长方向移动，因为此时两压电管1、2自由端的保护片3、4与导向器6间的静摩擦力都是推着基座5沿导向器6往两压电管1、2伸长方向移动，而基座5与导向器6间的静摩擦力是阻止该移动的阻力。由于基座5与导向器6间的最大静摩擦力小于两保护片3、4与导向器6间的最大静摩擦力之和，所以基座5相对于导向器6步进了一步。接着，两压电管1、2中的一个1收缩(形变还原)，另一个2保持伸长状态不变。此时收缩压电管1自由端的保护片3会在导向器6上滑动，而另一压电管2自由端的保护片4以及基座5在导向器6上都没有滑动，因为收缩压电管1自由端保护片3与导向器6间的最大静摩擦力小于另一保护片4-导向器6间最大静摩擦力与基座5-导向器6间最大静摩擦力之和。收缩压电管1就恢复了最初的收缩状态且没有使基座5相对于导向器6滑动。再接着，还保持伸长状态的那个压电管2收缩，同理可知，它也能恢复最初的收缩状态且不使基座5相对于导向器6滑动。至此，基座5已相对于导向器6步进了一步且两压电管1、2都恢复到最初的收缩状态。重复上述步骤可使基座5相对于导向器6一步步地沿两压电管1、2伸长方向步进。
同理，如果让初态皆为收缩状态的上述两压电管1、2按照：一个伸长-另一个伸长-同时收缩的顺序来重复进行，可使基座5相对于导向器6一步步地沿两压电管1、2收缩方向步进。
上述两压电管1、2的嵌套结构不会显著比单个压电管在尺寸上大很多，也不是多层压电材料以胶粘结成的堆栈结构，不会降低定位精度和对超高真空产生破坏，但其推力比近乎同尺寸的一个压电管通过分割电极产生两个半管压电体的推力大一倍，从而实现了本发明的目的。
由上述原理知，所述导向器6的作用是(1)对基座5和两保护片3、4产生垂直于压电管伸缩方向7的正压力，从而能在该伸缩方向7上获得可配合产生步进的摩擦力；(2)对步进起一个导向作用。
导向器6对步进的导向作用可以由下述结构实现：导向器6或者设置于内压电管1的内部(见附图2)或者设置于外压电管2的外部(见附图1)或者设置于内压电管1外壁与外压电管2内壁间的间隙中(见附图3)。对于这第三种情况，基座5不能完全把该间隙填满，需开有孔或缝隙让导向器6有一部分可以穿过基座5(见附图3，该图为俯视图)。在压电伸缩方向7上导向器6、基座5和两保护片3、4在摩擦力作用下产生的形变量应小于内和外压电管1、2的压电伸缩量。
实施例2：弹力型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器
上述实施例1中的基座1和两保护片3、4三者分别与导向器6相压的正压力可以是重力、电磁力和/或弹性力。在本实施例中，这三个正压力是弹力：所述导向器6通过导向器6弹性和/或基座5弹性和/或增设弹性体8(见附图1)与基座5弹性相压，所述导向器6通过导向器6弹性和/或保护片3、4弹性和/或增设弹性体8与两保护片3、4弹性相压。这里所述的弹性体7也可以视为基座5的一部分，也可以视为两保护片3、4的一部分，也可以视为导向器6的一部分。所述弹性只存在于所述正压力方向，而在压电伸缩方向7上导向器6、基座5和两保护片3、4在摩擦力作用下产生的形变量应小于内和外压电管1、2的压电伸缩量。
实施例3：内置弹性导向器型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器
上述实施例中导向器6对步进的导向作用可以由下述结构实现：导向器6设置于内压电管1的内部(包含从内压电管1内穿出)，导向器6为管形或柱形，其两端分别沿其轴线方向向另一端切入但不完全切分离，这使得导向器6具有弹性，或者可以在导向器6的内部增设弹簧使得导向器可以对外产生弹力，导向器6两端外壁以弹力分别与环形基座5的内侧以及两环形保护片3、4的内侧相压。
本实施例中的导向器6为方管形时，由于是以方管的棱边和环形基座5的内侧以及两环形保护片3、4的内侧相压，因此接触面积小，从而，可以实现用较大的压力而获得相对较小的但合适的摩察力，这样步进器的整体结构就比较紧固。
实施例4：导向器为管或围栏型嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器
上述实施例1和2中的导向器6可以做成管形(见附图1)或围栏形(见附图4和附图5)，以管壁或围栏的栏柱9与所述基座5以及两保护片3、4分别相压，产生正压力。对于导向器6为围栏的情形，栏柱的数目为2(见附图4)或3(见附图5)或4，所述栏柱9或以圆柱面(见附图4)或以刀刃(见附图5)分别与所述基座5和两保护片3、4产生正压力。
实施例5：由嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器制成的步进扫描器
本实施例包括包括压电扫描管10和上述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，压电扫描管10固定地立于所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的基座5上，并与所述嵌套双压电管1、2推动的三摩擦力压电步进器的内1和外压电管2具有相同的压电伸缩方向7，所述内1和外压电管2构成的管套管结构与压电扫描管10或者分处基座5的正反两侧或者处于基座5的同一侧，对于后一种情况，所述压电扫描管10套在外压电管2的外面，导向器6置于内压电管1的内部，或者压电扫描管10套在内压电管1的内部，导向器6置于外压电管2的外部。
Claims (8)
1.一种嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，包括两个压电管、两个保护片、基座、导向器，其特征是两压电管中的一个固定地立于基座上构成内压电管，而另一个套在所述内压电管之外也固定地立于该基座上构成外压电管，这两个压电管的压电伸缩方向相同，都为轴向，两个保护片分别设置在这两个压电管的自由端，导向器或者置于内压电管的内部或者置于外压电管的外部或者置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，在垂直于所述压电伸缩方向上设置将所述基座和两保护片分别与导向器相压的正压力，在这三个正压力对导向器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所述的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，其特征是所述导向器通过导向器弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压，所述导向器通过导向器弹性和/或保护片弹性和/或增设弹性体与两保护片弹性相压。
3.根据权利要求1或2所述的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，其特征是：两个保护片和基座均为环形，导向器为管形或柱形，其两端分别沿其轴线方向向另一端切入但不完全切分离，导向器设置于内压电管的内部，其两端外壁以弹力分别与环形基座的内侧以及两环形保护片的内侧相压。
4.根据权利要求3所述的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，其特征是：导向器为方管形或圆管形或方柱形或圆柱形。
5.根据权利要求1或2所述的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，其特征是：所述导向器为管形或围栏形，导向器套在外压电管的外面并与基座以及两保护片相压。
6.根据权利要求5所述的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，其特征是：所述围栏的栏柱数目为2或3或4个。
7.根据权利要求6所述的嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，其特征是：所述栏柱或以圆柱面或以刀刃分别与所述基座和两保护片产生正压力。
8.一种权利要求1所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器制成的步进扫描器，其特征是包括压电扫描管和所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，压电扫描管固定地立于所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的基座上，该压电扫描管的轴线方向与所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的内和外压电管的轴线方向相同。
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