CN103986365B - 多区驱动的惯性压电马达装置及扫描探针显微镜和控制法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多区驱动的惯性压电马达装置及扫描探针显微镜和控制法,其装置包括滑块、基座、弹簧片、导轨，还包括两个或两个以上的压电体；其多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜是：增设支架，该支架固定于基座上，该支架的一部分正对着所述导轨的导向方向；其多区驱动的惯性压电马达装置的控制方法是，压电体集团中各压电体配备的惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号；其扫描探针显微镜进行粗逼近控制方法是，压电体集团中各压电体配备的专用惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。

Description

多区驱动的惯性压电马达装置及扫描探针显微镜和控制法

技术领域

本发明涉及一种压电马达装置，特别涉及一种多区驱动的惯性压电马达装置、其控制方法、用其制成的扫描探针显微镜和该扫描探针显微镜的粗逼近方法，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电马达是一种能够把每一步产生的微观小压电位移累加成一个宏观大位移的压电定位器，可同时拥有纳米级定位精度(甚至更高)、毫米级宏观大行程(甚至更大)，从而成为现今精密测量、纳米器件加工、原子与分子操纵、乃至亚原子结构成像的有力定位工具。其现今的发展趋势是高刚性、大推力、和小型化。而惯性压电马达是利用压电体的突然形变产生的惯性力来克服作用于滑块的摩擦力，从而驱动滑块步进一步，且重复步进的位移可以累加。惯性压电马达的优点是结构特别简单：只需要一个压电体就能驱动，因而大量应用于极端条件(如低温、强磁场等)或小空间条件(如手机等)中。但惯性压电马达有一致命缺点：推力小。这是因为惯性马达的推力是由压电体突然形变产生的，需要高频的尖峰或突变信号驱动，而压电材料响应的滞后性(creepingeffect,hysteresiseffect等)和本身所带的电容(低通性)都是与高频的尖峰或突变信号不相容的。目前尚无很好的解决办法，因而惯性压电马达也只能应用于一些小推力、小负载场合。

为了解决这一问题，本发明提出：可将多个压电体以一致的形变方向且各个压电体都可独立施加电压的方式固定在一起构成压电体集团，其中的每个压电体都配有一个专用的惯性压电马达驱动电路。工作时，每个压电体在各自专用的惯性压电马达驱动电路的驱动下同步且同向地产生惯性甩动，可使压电体集团的总推力得以增强。由于压电体集团中的各压电体是独立施加电压的，各压电体间是电绝缘的，所以各压电体专用驱动电路间的略微不同步不会导致这些驱动电路间短路、烧毁。又由于压电体集团中的各压电体对应的电容较小，高频驱动变得非常容易，压电响应也更快，最终大大提高了压电形变的突然性，从而提高了压电体集团的推力。当压电体集团选为四象限压电扫描管时，马达既可以步进，又可以扫描，从而可以制成超简单的扫描探针显微镜，提高稳定性与可靠性。

发明内容

为了解决现有惯性压电马达推力小的缺点，提供一种多区驱动的惯性压电马达装置、其控制方法、用其制成的扫描探针显微镜和该扫描探针显微镜的粗逼近方法。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种多区驱动的惯性压电马达装置，包括滑块、基座、弹簧片、导轨，其特征是还包括多个压电体，所述多个压电体按照形变方向一致且独立施加电压的结构固定在一起，形成压电体集团，该压电体集团的一端固定于基座上，另一端为自由形变端，所述导轨固定于该自由形变端且其导向方向与所述压电体集团形变方向一致，所述弹簧片施加垂直于该压电体集团形变方向的正压力将滑块弹性地压于导轨上，所述压电体集团中的各个压电体都配备一个专用的惯性压电马达驱动电路与之相连。

本发明多分区同步驱动的大推力惯性压电马达装置的结构特点也在于：

所述压电体集团中的诸压电体是一体的。

所述压电体集团是管状的。

所述压电体集团是四象限XYZ压电扫描管，其四个XY扫描电极各配备一个专用的惯性压电马达驱动电路与之相连，所述导轨也为管状，其一部分或全部处于四象限XYZ压电扫描管之内，所述滑块为柱状，其一部分或全部处于管状导轨内部，所述弹簧片处于所述滑块和管状导轨内壁之间缝隙中。

一种所述的多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜，其特征是：增设支架，该支架固定于基座上，该支架的一部分正对着所述导轨的导向方向。

一种所述的多区驱动的惯性压电马达装置的控制方法，其特征是：所述压电体集团中各压电体配备的专用惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。

一种所述的扫描探针显微镜的粗逼近控制方法，其特征是：所述压电体集团中各压电体配备的专用惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。

工作原理如下：压电体集团中虽然包含了多个压电体，但由于它们是独立施加电压的，所以它们的电容并不累加，具有了高通效果；这些压电体的形变方向相同，且它们都配有各自专用的惯性压电马达驱动电路对其驱动，当这些压电体被它们各自的驱动电路以同步且同向的惯性驱动方式驱动时，产生的总推力比现有技术的“单个驱动电路驱动一个大电容压电体”产生的推力要大得多。这就实现了本发明的目的。由于压电体集团中的各压电体是独立施加电压的，各压电体间是电绝缘的，所以各压电体专用驱动电路间的略微不同步不会导致这些驱动电路间短路、烧毁。

本发明与现有技术的“压电叠堆(piezoelectricstack)惯性马达”是有本质区别的：(1)本发明的压电体集团中的诸压电体是独立施加电压的，因而电容不累加，所以容性负载不大，而压电叠堆惯性马达中的多个相叠的压电体的电容是相加的，所以容性负载很大；(2)本发明的压电体集团中诸压电体的每一个都配有其专用的惯性压电马达驱动电路对其驱动，而压电叠堆惯性马达只有一个惯性压电马达驱动电路对其驱动。

本发明虽需多个惯性压电马达驱动电路控制，电极引线也较多，但马达结构本身的尺寸与复杂性并没有增加，特别地：我们在用常用的四象限XYZ压电扫描管制作扫描探针显微镜时，可以直接在其自由端设置导轨、弹簧片和滑块制成惯性压电马达，并在其四个XY扫描电极上增设各自专用的惯性压电马达驱动电路，这就实现了本发明的一个实施例，从而立刻制成既能够进行XYZ三维成像扫描又能够进行Z方向步进(粗逼近)的超简单扫描探针显微镜，其中，XYZ压电扫描管本身就是一个一体结构的管状压电体集团，包含四个可独立施加电压的压电体，它们原本就都有电极线向外引出，所以总的引线复杂性并没有增加，但粗逼近由于是由四个惯性压电马达驱动电路同步同向驱动，所以推力大大增强了。注意：传统扫描探针显微镜中XYZ压电扫描管的四个XY扫描电极分别由±X和±Y推挽信号驱动，并不接各自专用的惯性压电马达驱动电路驱动，这与本发明是一个显著的不同。

从上述工作原理可以看出，本发明的多区驱动的惯性压电马达装置的控制方法以及用本发明的多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜的粗逼近方法都可以描述为：所述压电体集团中各压电体配备的专用惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。

本发明的有益效果是：(1)在不增加尺寸的情况下，大大提高了惯性压电马达的推力；(2)避免了驱动大电容所需的复杂驱动电路。

附图说明

图1是本发明基本型多区驱动的惯性压电马达装置示意图。

图2是本发明四象限XYZ压电扫描管型多区驱动的惯性压电马达装置示意图。

图3是本发明四象限XYZ压电扫描管型多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜示意图。

图中标号：1基座、2a压电体之一、2b压电体之二、2c压电体之三、2d压电体之四、3压电体集团、4导轨、5滑块、6弹簧片、7a压电体之一的专用惯性压电马达驱动电路、7b压电体之二的专用惯性压电马达驱动电路、7c压电体之三的专用惯性压电马达驱动电路、7d压电体之四的专用惯性压电马达驱动电路、8支架。

具体实施方式

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。

实施例1：基本型多区驱动的惯性压电马达装置

参见附图1，多区驱动的惯性压电马达装置，包括滑块5、基座1、弹簧片6、导轨4，其特征是还包括两个或两个以上的压电体，所述压电体按照形变方向一致且独立施加电压的结构固定在一起，形成压电体集团3，该压电体集团3的一端固定于基座上，另一端为自由形变端，所述导轨4固定于该自由形变端，其随着压电体的伸长而移动，且其导向方向与所述压电体集团3形变方向一致，所述弹簧片6施加垂直于该压电体集团3形变方向的正压力将滑块5弹性地压于导轨4上，所述压电体集团3中的各个压电体都配备一个专用的惯性压电马达驱动电路与之相连。

其工作原理为：压电体集团3中虽然包含了多个压电体，但由于它们是独立施加电压的，所以它们的电容并不累加，具有了高通效果；这些压电体的形变方向相同，且它们都配有各自专用的惯性压电马达驱动电路对其驱动，当这些压电体被它们各自的驱动电路以同步且同向的惯性驱动方式驱动时，产生的总推力比现有技术的“单个驱动电路驱动一个大电容压电体”产生的推力要大得多。这就实现了本发明的目的。由于压电体集团中的各压电体是独立施加电压的，各压电体间是电绝缘的，所以各压电体专用驱动电路间的略微不同步不会导致这些驱动电路间短路、烧毁。

实施例2：一体型多区驱动的惯性压电马达装置

上述实施例中的压电体集团3中的诸压电体可以是一体的。这使得本发明的结构与制作得以简化。

实施例3：管型多区驱动的惯性压电马达装置

上述实施例中的压电体集团3可以是管状的。这使得本发明的对称性提高，从而减少不对称引起的漂移。

实施例4：四象限XYZ压电扫描管型多区驱动的惯性压电马达装置

上述实施例中的压电体集团3可以是四象限XYZ压电扫描管，所述导轨4也为管状，其一部分或全部处于四象限XYZ压电扫描管之内，所述滑块5为柱状，其一部分或全部处于管状导轨4内部，所述弹簧片6处于所述滑块5和管状导轨4内壁之间缝隙中。

实施例5：本发明多区驱动的惯性压电马达装置的控制方法

上述实施例中的压电体集团3中各压电体配备的专用惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。这样同步且同向地驱动每一个压电体产生惯性推动，才能提高总推力，实现本发明的目的。

实施例6：本发明多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜

上述实事例的多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜，其特征是：增设支架8，该支架8固定于基座1上，该支架8的一部分正对着所述导轨4的导向方向。该支架8需要有一部分是正对着所述导轨4的导向方向的，以实现粗逼近过程。

Claims (6)

1.一种多区驱动的惯性压电马达装置，包括滑块、基座、弹簧片、导轨，其特征是还包括多个压电体，所述多个压电体按照形变方向一致且独立施加电压的结构固定在一起，形成压电体集团，该压电体集团的一端固定于基座上，另一端为自由形变端，所述导轨固定于该自由形变端且其导向方向与所述压电体集团形变方向一致，所述弹簧片施加垂直于该压电体集团形变方向的正压力将滑块弹性地压于导轨上，滑块和导轨之间能相对滑动，所述压电体集团中的各个压电体都配备一个专用的惯性压电马达驱动电路与之相连；所述压电体集团中的多个压电体是一体的；所述压电体集团是四象限XYZ压电扫描管，其四个XY扫描电极各配备一个的惯性压电马达驱动电路与之相连，所述导轨也为管状，其一部分或全部处于四象限XYZ压电扫描管之内，所述滑块为柱状，其一部分或全部处于管状导轨内部，所述弹簧片处于所述滑块和管状导轨内壁之间缝隙中。

2.根据权利要求1所述的多区驱动的惯性压电马达装置，其特征是：所述压电体集团是管状的。

3.一种权利要求1所述的多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜，其特征是：增设支架，该支架固定于基座上，该支架的一部分正对着所述导轨的导向方向。

4.一种权利要求1所述的多区驱动的惯性压电马达装置制成的扫描探针显微镜，其特征是：增设支架，该支架固定于基座上，该支架的一部分正对着所述导轨的导向方向。

5.一种权利要求1所述的多区驱动的惯性压电马达装置的控制方法，其特征是：所述压电体集团中各压电体配备的惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。

6.一种对权利要求4所述的扫描探针显微镜进行粗逼近控制方法，其特征是：所述压电体集团中各压电体配备的惯性压电马达驱动电路都同步输出同向推动的惯性压电马达驱动信号。