CN104767421B - 相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜，包括驱动压电体、滑杆、弹簧片，其特征是还包括副压电体，所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端弹性相压，副压电体或滑杆与驱动压电体形变两端的一端固定。马达静止时，滑杆受到的握持力是较大的静摩擦力，马达抗干扰能力强，稳定性高；马达行走时，副压电体形变，副压电体两端和滑杆间的总摩擦阻力减小，这时驱动压电体快速形变产生的惯性力就有很大一部分转为输出推力，马达步进有力。本发明保留了惯性压电马达结构简单，精度高，工作温区大，加工精度要求低的优点，但解决了其刚性低、紧凑性低，输出推力小的缺点，适合于在低温、超高真空、强磁场等极端条件下工作。

Description

相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜

技术领域

本发明一种相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜，涉及一种利用相向摩擦来有效且可控地减少阻力的惯性压电马达及其控制方法和用其制成的扫描探针显微镜，属于压电定位器和扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

压电马达是一种能够同时实现纳米甚至亚纳米量级的高定位精度和毫米甚至厘米以上宏观行程的压电定位器。它通常是利用重复的压电形变来产生累加的位移而实现的，具有小体积和高定位精度的优点，所以被广泛地应用于精密仪器控制、原子分辨率扫描探针显微镜、微电子制造乃至航空航天、生物医学等诸多重要的领域，已成为现代尖端科学研究和工业生产的重要工具。

压电马达发展至今，一直朝着高刚性、小体积、高定位精度和大推力的方向发展。然而在技术上想要同时实现这几个重要指标的改进却非常困难，因为它们之间很多是相互矛盾的：大推力和小体积之间的矛盾，高刚性和小体积之间的矛盾，大推力和高定位精度之间的矛盾等等。一种因为结构特别简单而被广泛应用的压电马达是惯性压电马达。它是利用压电体的突然形变而产生的惯性力来驱动滑块(或滑杆)克服握持它(滑块或滑杆)的摩擦(阻)力，从而使滑块步进的。虽然优点显著，但其也有致命缺点：输出推力较小。很多惯性压电马达甚至难以克服重力而进行竖直向上的步进。这里面的困难之处在于：当惯性压电马达保持静止(不在走动)时，滑块通常由摩擦力握持(握住不动)，这时要求握持力较大，以便滑块能够被牢固、稳定地握住，并抵抗重力或外界的震动干扰(否则，滑块甚至在重力的作用下就能克服握持它的摩擦力而竖直下滑，马达散架)；但是，当惯性压电马达进行行走时，作用于滑块的握持摩擦力就变成惯性力必须克服的阻力了，这时，如果握持滑块的摩擦力太大，就会导致输出的推力变小，甚至马达不走。

为了解决这一矛盾，最好的办法是使作用于滑块的摩擦力可控，即：马达在静止不行走时，作用于滑块的摩擦力较大，马达的刚性和稳定性较高；但当马达在行走时，作用于滑块的摩擦力临时变小，惯性力的很大一部分变成输出的推力。我们之前已找到了一种有效而可控地减小摩擦力的技术，即：相向摩擦，详见发明专利申请号：201210338648.0。但这一技术并没有应用于惯性压电马达，所以，发明专利申请号201210338648.0中描述的压电马达的结构也较复杂，需要三个或三个以上独立可控的压电体才能工作。本发明中，我们把相向摩擦能够有效、可控地减小摩擦力的技术手段应用到惯性压电马达中，在不减小滑块的静态握持力的前提下，解决了惯性压电马达输出推力小的问题(根据我们的实际测量，相向摩擦能够把摩擦力减小到只剩约1/12，详见我们2014年在Review of ScientificInstruments期刊的第85卷、056108页上发表的论文)。虽然本发明需要两个独立可控的压电体，比最简单的惯性压电马达多了一个压电体，但在弹力夹持的压电马达(因而对加工精度要求不高，还能在大温区范围内工作)中，仍然属于体积小、结构简单的。

发明内容

本发明的目的是为了解决惯性压电马达输出推力小的问题，在不减少静态握持摩擦力的前提下，提出一种利用相向摩擦来可控地减小马达行走时的摩擦阻力，从而提高输出推力的惯性压电马达，及其控制方法和用其制成的扫描探针显微镜镜体。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达，包括：驱动压电体、滑杆、弹簧片，其特征是还包括副压电体，所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端弹性相压，构成平行互压结构，所述副压电体或滑杆与驱动压电体形变两端的一端固定，该端称为自由端，而驱动压电体的另一端称为固定端。

所述驱动压电体与副压电体都为管形，所述滑杆插于副压电体内，所述弹簧片处于滑杆与副压电体内壁之间，所述副压电体与驱动压电体的自由端固定。

所述副压电体的全部或部分处于驱动压电体内。

所述驱动压电体为XYZ压电扫描管。

在滑杆与副压电体之间增设两个保护环，它们分别固定于副压电体的两端，滑杆的两端分别通过这两个保护环与副压电体的两端弹性相压。

增设连接环，所述副压电体与驱动压电体自由端之间的固定是通过连接环来固定的。

所述的两个保护环是由Al₂O₃或SiO₂或碳制成。

所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端分别弹性相压所产生的最大静摩擦力相等。

用本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设支架，所述副压电体为管形，所述滑杆插于副压电体内，所述弹簧片处于滑杆与副压电体内壁之间，所述驱动压电体为XYZ压电扫描管，所述副压电体与驱动压电体的自由端固定，所述支架固定于驱动压电体的固定端，该支架的一部分沿所述滑杆的轴向正对着滑杆。

本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达的控制方法，其特征是以如下时序控制所述驱动压电体和副压电体，从而实现一步的行走：

a.副压电体不形变而驱动压电体缓慢形变，该缓慢形变产生的惯性力小于副压电体与滑杆之间的最大静摩擦力，

b.副压电体作单向形变或周期性伸缩形变，同时驱动压电体作快速反向形变，该快速反向形变产生的惯性力大于副压电体与滑杆之间的摩擦阻力。

本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达的工作原理是：弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端弹性相压，所述副压电体(或滑杆)与驱动压电体形变两端的一端固定。工作时，先让副压电体不形变而驱动压电体缓慢形变，该缓慢形变产生的惯性力小于副压电体与滑杆之间的最大静摩擦力；这样，副压电体和滑杆都随驱动压电体的形变而移动，但副压电体和滑杆之间是相对静止的，它们之间的摩擦握持力等于它们之间的最大静摩擦力f_s，max，其值可以较大。接着，副压电体作单向形变(伸长或收缩)或周期性伸缩形变(双向)，同时驱动压电体快速反向形变，该快速反向形变产生的惯性力大于副压电体与滑杆之间的摩擦阻力；这里，当副压电体形变时，无论是正向形变或反向形变或周期性伸缩形变(正反双向振荡)，只要发生形变，即：副压电体至少有一端在滑杆上滑动，则该端的静摩擦力(较大)变成了动摩擦力(较小)，从而副压电体与滑杆间的总摩擦阻力f_R变小(即，f_R＜f_s，max)，如果副压电体的形变使得其两端都在滑杆上滑动，则它们的滑动是相向的，对应的动摩擦力相互抵消(可能部分抵消，也可能完全抵消，这里统称为抵消)，从而总摩擦阻力f_R变得更小，总之，副压电体形变时的总摩擦阻力f_R小于原先副压电体不形变时的摩擦握持力f_s，max，这时，当驱动压电体进行快速反向形变时，所产生的惯性力F_i就能够更容易地克服被减小了的阻力f_R，从而产生较大的输出推力。这就实现了本发明的目的：马达静止不行走时的静态握持摩擦力f_s，max不需要变小，但马达行走时的阻力f_R变小了，输出推力就增加了。特别是，当所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端分别弹性相压所产生的最大静摩擦力相等时(都等于f_s，max/2)，则副压电体形变产生的摩擦力抵消的程度最大，接近完全抵消(只剩下弹簧片产生的摩擦阻力，该摩擦阻力可以通过减小摩擦系数或减少摩擦面积或利用刀刃摩擦而变得很小)，f_R远小于f_s，max，输出的推力最大。

从上述工作原理可以看出：(1)驱动压电体可以驱动副压电体(即驱动压电体自由端与副压电体相固定)，也可以驱动滑杆(即驱动压电体自由端与滑杆相固定)，只不过前一种情况中行走的是滑杆，而后一种情况中行走的是副压电体；当驱动压电体驱动副压电体时，驱动压电体自由端可以与副压电体的任何位置相固定，只要不影响副压电体的形变即可，只是当驱动压电体自由端与副压电体形变的中间位置相固定时副压电体的形变比较对称，有利于摩擦力更好地抵消，而当驱动压电体自由端与副压电体的一端相固定时则可以让驱动压电体与副压电体之间有较大的长度重叠，有利于减少总长度。(2)存在最佳工作条件，即当所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端分别弹性相压所产生的最大静摩擦力相等时，这使得马达行走时的阻力f_R接近于零，马达输出的推力最大。(3)所述驱动压电体与副压电体可以都为管形，所述滑杆插于副压电体内，所述弹簧片处于滑杆与副压电体内壁之间，所述副压电体与驱动压电体的自由端固定；这种结构具有很高的对称性，从而能够减少热漂移。(4)所述副压电体可以全部或部分处于驱动压电体内，从而使得马达结构更紧凑，减小尺寸。(5)所述驱动压电体可以为XYZ压电扫描管，从而让驱动压电体可以被多路驱动信号同时驱动，以增加驱动惯性力，产生更大的输出推力；XYZ压电扫描管也能使得马达除了实现步进功能外，还能实现扫描成像功能。(6)可在滑杆与副压电体之间增设两个保护环，它们分别固定于副压电体的两端，滑杆的两端分别通过这两个保护环与副压电体的两端弹性相压；这能够使得滑杆与副压电体之间的滑动受到保护环的保护，从而使得滑动更顺畅，磨损更小，特别是当这两个保护环是由Al₂O₃或SiO₂或碳制成时。(7)可以增设连接环，所述副压电体与驱动压电体自由端之间的固定是通过连接环来固定的；这可以避免副压电体与驱动压电体之间发生磨损或干扰。(8)可以将本发明的相向摩擦减阻力惯性压电马达制成扫描探针显微镜(镜体)：增设支架，所述副压电体为管形，所述滑杆插于副压电体内，所述弹簧片处于滑杆与副压电体内壁之间，所述驱动压电体为XYZ压电扫描管，所述副压电体与驱动压电体的自由端固定，所述支架固定于驱动压电体的固定端，该支架的一部分沿所述滑杆的轴向正对着滑杆；这样，当探针固定于滑杆前端并指向固定于支架上的样品时(探针与样品的位置可以互换)，可以通过马达的步进实现探针-样品间的粗逼近，之后，再由XYZ压电扫描管实现探针-样品间的成像扫描。

根据上述原理，本发明具有如下优秀性能(所以实现了本发明的目的)：

(1)刚性强、推力大：因为马达静止不动时，作用于滑杆上的握持力是静态摩擦力，可以很大；但马达在行走时，作用于滑杆上的阻力是得到了很好抵消的动摩擦力，阻力很小，所以输出推力变大(特别是在马达处于最佳工作条件时，该阻力接近于零)。

(2)行程大：行程仅受滑杆长度的限制。

(3)对称性高：管形结构的本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达是高度对称的，可以有效地抑制热漂移。

(4)尺寸小：嵌套管形结构的本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达是高度紧凑的，可有效地减小尺寸。

(5)工作温区大、加工精度要求低：本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达的滑杆是靠弹力握持的，而弹力是长作用范围力，所以即使在温度变化很大时也不会发生因热膨胀系数不匹配而导致的弹力的显著变化，也即马达可以在大温区范围内可靠地工作；同理，长作用范围的弹力也可以显著降低对加工精度的要求而不导致弹力的显著不同，从而降低制作成本。

附图说明

图1是本发明基本型相向摩擦减阻力惯性压电马达的结构示意图。

图2是本发明XYZ压电扫描管型相向摩擦减阻力惯性压电马达的结构示意图。

图3是本发明保护环与连接环型相向摩擦减阻力惯性压电马达的结构示意图。

图4是用本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达制成的扫描探针显微镜镜体结构示意图。

图中标号：1驱动压电体、1A驱动压电体为XYZ压电扫描管、2副压电体、3滑杆、4弹簧片、5A与5B副压电体形变的两端与滑杆的两端弹性相压、5C与5D保护环、6驱动压电体与副压电体之间的固定、6A连接环、7支架、8支架与驱动压电体固定端之间的固定、9探针、10样品。

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：基本型相向摩擦减阻力惯性压电马达

参见附图1，本发明基本型相向摩擦减阻力惯性压电马达，包括：驱动压电体1、滑杆3、弹簧片4，其特征是还包括副压电体2，所述弹簧片4将滑杆3的两端与副压电体2形变的两端弹性相压5A、5B，构成平行互压结构，所述副压电体2或滑杆3与驱动压电体1形变两端的一端固定6，该端称为自由端，而驱动压电体1的另一端称为固定端。

工作时，先让副压电体2不形变而驱动压电体1缓慢形变，该缓慢形变产生的惯性力小于副压电体2与滑杆3之间的最大静摩擦力；这样，副压电体2和滑杆3都随驱动压电体1的形变而移动，但副压电体2和滑杆3之间是相对静止的，它们之间的摩擦握持力等于它们之间的最大静摩擦力f_s，max，其值可以较大。

接着，副压电体2作单向形变(伸长或收缩)或周期性伸缩形变(双向)，同时驱动压电体1快速反向形变，该快速反向形变产生的惯性力大于副压电体2与滑杆3之间的摩擦阻力；这里，当副压电体2形变时，无论是正向形变或反向形变或周期性伸缩形变(正反双向振荡)，只要发生形变，即：副压电体2至少有一端在滑杆3上滑动，则该端的静摩擦力(较大)变成了动摩擦力(较小)，从而副压电体2与滑杆3间的总摩擦阻力f_R变小(即，f_R＜f_s，max)，如果副压电体2的形变使得其两端都在滑杆3上滑动，则它们的滑动是相向的，对应的动摩擦力相互抵消(可能部分抵消，也可能完全抵消，这里统称为抵消)，从而总摩擦阻力f_R变得更小，总之，副压电体2形变时的总摩擦阻力f_R小于原先副压电体2不形变时的摩擦握持力f_s，max，这时，当驱动压电体1进行快速反向形变时，所产生的惯性力F_i就能够更容易地克服被减小了的阻力f_R，从而产生较大的输出推力。这就实现了本发明的目的：马达静止不行走时的静态握持摩擦力f_s，max不需要变小，但马达行走时的阻力f_R变小了，输出推力就增加了。特别是，当所述弹簧片4将滑杆3的两端与副压电体2形变的两端分别弹性相压所产生的最大静摩擦力相等时(都等于f_s，max/2)，则副压电体2形变产生的摩擦力抵消的程度最大，接近完全抵消(只剩下弹簧片4产生的摩擦阻力，该摩擦阻力可以通过减小摩擦系数或减少摩擦面积或利用刀刃摩擦而变得很小)，f_R远小于f_s，max，输出的推力最大。

实施例2：驱动滑杆型相向摩擦减阻力惯性压电马达

附图1中的驱动压电体1的自由端是和副压电体2固定的，这是驱动压电体1驱动副压电体2的情形，但驱动压电体1的自由端也可以和滑杆3固定，这是驱动压电体1驱动滑杆3的情形，这时，行走的部件是副压电体2，而不是滑杆3。

实施例3：管型相向摩擦减阻力惯性压电马达

上实施例中的驱动压电体1与副压电体2都为管形，所述滑杆3插于副压电体2内，所述弹簧片4处于滑杆3与副压电体2内壁之间，所述副压电体2与驱动压电体1的自由端固定。这种结构具有很高的对称性，从而能够减少热漂移。

实施例4：嵌套管型相向摩擦减阻力惯性压电马达

上述实施例中的副压电体2的全部或部分处于驱动压电体1内。这种结构使得马达更紧凑，减小尺寸。

实施例5：XYZ压电扫描管型相向摩擦减阻力惯性压电马达

参见附图2，上述实施例中的驱动压电体1可为XYZ压电扫描管1A。这使得驱动压电体1可以被多路驱动信号同时驱动，以增加驱动惯性力，产生更大的输出推力。此外，XYZ压电扫描管1A也能使得马达除了实现步进功能外，还能实现扫描成像功能。

实施例6：保护环型相向摩擦减阻力惯性压电马达

参见附图3，上述实施例中，在滑杆与副压电体之间增设两个保护环5C、5D，它们分别固定于副压电体2的两端，滑杆3的两端分别通过这两个保护环5C、5D与副压电体2的两端弹性相压。所述两个保护环5C、5D可由Al₂O₃或SiO₂或碳制成。这种结构使得滑杆3与副压电体2之间的滑动受到保护环5C、5D的保护，从而使得滑动更顺畅，磨损更小，特别是当两个保护环5C、5D是由Al₂O₃或SiO₂或碳制成时。

实施例7：连接环型相向摩擦减阻力惯性压电马达

参见附图3，上述实施例中，增设连接环6A，所述副压电体2与驱动压电体1自由端之间是通过连接环6A来固定的。这可避免副压电体2与驱动压电体1之间发生磨损或干扰。

实施例8：最佳工作条件型相向摩擦减阻力惯性压电马达

上述实施例中，若所述弹簧片4将滑杆3的两端与副压电体2形变的两端分别弹性相压所产生的最大静摩擦力相等(最佳工作条件)，则在马达行走时，副压电体2形变可使得副压电体2两端与滑杆3之间的动摩擦力完全抵消，总阻力f_d接近于零，此时的输出推力最大。

实施例9：用相向摩擦减阻力惯性压电马达制成的扫描探针显微镜镜体

参见附图4，用本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设支架7，所述副压电体2为管形，所述滑杆3插于副压电体2内，所述弹簧片4处于滑杆3与副压电体2内壁之间，所述驱动压电体1为XYZ压电扫描管，所述副压电体2与驱动压电体1的自由端固定，所述支架7固定于驱动压电体1的固定端8，该支架7的一部分沿所述滑杆3的轴向正对着滑杆3。这样，当探针9固定于滑杆3前端并指向固定于支架7上的样品10时(探针9与样品10的位置可以互换)，可以通过马达的步进实现探针9-样品10间的粗逼近，之后，再由XYZ压电扫描管实现探针9-样品10间的成像扫描。

实施例10：相向摩擦减阻力惯性压电马达的控制方法

本发明相向摩擦减阻力惯性压电马达的控制方法，其特征是以如下时序控制所述驱动压电体1和副压电体2，从而实现一步的行走：

a.副压电体2不形变而驱动压电体1缓慢形变，该缓慢形变产生的惯性力小于副压电体2与滑杆3之间的最大静摩擦力，

b.副压电体2形变，同时驱动压电体1快速反向形变，该快速反向形变产生的惯性力大于副压电体2与滑杆3之间的摩擦阻力。

Claims (10)

1.一种相向摩擦减阻力惯性压电马达，包括：驱动压电体、滑杆、弹簧片，其特征是还包括副压电体，所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端分别弹性相压，构成平行互压结构，所述副压电体或滑杆与驱动压电体形变两端的一端固定，该端称为自由端，而驱动压电体的另一端称为固定端。

2.根据权利要求1所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是所述驱动压电体与副压电体都为管形，所述滑杆插于副压电体内，所述弹簧片处于滑杆与副压电体内壁之间，所述副压电体与驱动压电体的自由端固定。

3.根据权利要求2所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是所述副压电体的全部或部分处于驱动压电体内。

4.根据权利要求2所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是所述驱动压电体为XYZ压电扫描管。

5.根据权利要求2所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是在滑杆与副压电体之间增设两个保护环，它们分别固定于副压电体的两端，滑杆的两端分别通过这两个保护环与副压电体的两端弹性相压。

6.根据权利要求2所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是增设连接环，所述副压电体与驱动压电体自由端之间的固定是通过连接环来固定的。

7.根据权利要求5所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是所述两个保护环是由Al₂O₃或SiO₂或碳制成。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的相向摩擦减阻力惯性压电马达，其特征是所述弹簧片将滑杆的两端与副压电体形变的两端分别弹性相压所产生的最大静摩擦力相等。

9.一种权利要求1所述相向摩擦减阻力惯性压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设支架，所述副压电体为管形，所述滑杆插于副压电体内，所述弹簧片处于滑杆与副压电体内壁之间，所述驱动压电体为XYZ压电扫描管，所述副压电体与驱动压电体的自由端固定，所述支架固定于驱动压电体的固定端，该支架的一部分沿所述滑杆的轴向正对着滑杆。

10.一种权利要求1所述相向摩擦减阻力惯性压电马达的控制方法，其特征是以如下时序控制所述驱动压电体和副压电体，从而实现一步的行走：

a.副压电体不形变而驱动压电体缓慢形变，该缓慢形变产生的惯性力小于副压电体与滑杆之间的最大静摩擦力，

b.副压电体作单向形变或周期性伸缩形变，同时驱动压电体作快速反向形变，该快速反向形变产生的惯性力大于副压电体与滑杆之间的摩擦阻力。