CN104836475B - 相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜，包括平行双轨架，三个压电体、两个弹簧片，三个压电体形变方向一致并按折叠结构将第一压电体一端与第二压电体一端固定，第二压电体另一端与第三压电体一端固定，构成三折叠压电体，其两端固定的弹簧片将其弹性地压在平行双轨架的双轨之间，三折叠压电体的形变方向与平行双轨架的导向方向一致，当第一压电体做周期性形变时，其与平行双轨架间的摩擦力小于第三压电体与平行双轨架间的最大静摩擦力，当第三压电体做周期性形变时，其与平行双轨架间的摩擦力小于第一压电体与平行双轨架间的最大静摩擦力。其优点是：结构简单、紧凑，刚性强，推力大，能在低温、强磁场等极端条件下运行。

Description

相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜

技术领域

本发明相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜涉及一种压电步进器及其控制方法与用其制成的扫描探针显微镜，特别涉及一种利用相向摩擦来可控地减少阻力的三折叠压电马达及其控制方法与用其制成的扫描探针显微镜，属于压电定位器技术领域或扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

压电马达是一种同时拥有微观纳米级定位精度与宏观厘米级行程的器件，其基本工作原理是利用压电材料产生周期性的电致伸缩形变，这些较小的周期性形变通过累积，形成较大的行程。由于其高精度与小体积的特点，压电马达被广泛应用于微机电产品的定位加工，光学领域的精密移动平台，生命科学领域对细胞和染色体等的操作以及纳米科学研究领域的表面探测(如扫描探针显微镜的探针与样品之间的精确步进以及样品大范围搜索)等。是一种尖端科学与技术器件。

近年，压电马达的性能一直在提升并朝着小结构、大推力、高精度、高刚性的方向发展。但这些指标彼此之间存在着很多难以调和之处，如：小结构难以做到大推力，大推力会破坏高精度，小结构又难以兼顾高刚性等。

为了权衡这些指标，我们提出过“一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达”(见我们在美国《科学仪器评论》(Review of Scientific Instrument)2014年第85期第056108页发表的文章，其中给出了这款马达的优秀性能参数)，该发明的优点是刚性强、推力大、行程大、对称性高同时拥有小尺寸，而且适用于较大变化温区。

然而该压电步进器依然未解决的问题：(1)结构复杂，使用了五个压电体，也不利于刚性和紧凑性的提升。(2)负责推进的中心压电体，工作的有效长度相对较小，压电材料利用效率降低，反过来就是增加了马达的尺寸。(3)该结构使用五堆栈八摩擦力相互配合，在较大温区变化过程中，较多的弹簧片带来的不匹配风险会增大。

本发明则提出了一种新的利用相向摩擦减少阻力型压电马达，只需要三个压电体即可解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术“利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达”结构复杂，压电材料利用效率低，摩擦力配合复杂且困难的问题，提出一种相向摩擦力三折叠压电马达及其控制方法。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种相向摩擦力三折叠压电马达，包括平行双轨架，其特征是还包括三个压电体、两个弹簧片，所述三个压电体的形变方向一致并按折叠结构将第一压电体的一端与第二压电体的一端相固定，第二压电体的另一端与第三压电体的一端相固定，此结构称为三折叠压电体，其两端分别固定有弹簧片，以此将所述三折叠压电体弹性地压在所述平行双轨架的双轨之间，且三折叠压电体的形变方向与平行双轨架的导向方向一致，调节所述两弹簧片的弹性，以满足如下摩擦力配合条件：当第一压电体做周期性形变时，其与平行双轨架之间的摩擦力小于第三压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力，当第三压电体做周期性形变时，其与平行双轨架之间的摩擦力小于第一压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力。

在所述三折叠压电体的两端与平行双轨架之间，于所述两弹簧片相对称的位置处分别增设固定于三折叠压电体两端的两垫片，该两垫片与平行双轨架弹性相压。

在所述三折叠压电体的一端或两端增设支撑于所述端的弹簧片和垫片之间的支撑杆。

所述的三个压电体各自为一个压电片叠堆。

所述的第一压电体与第二压电体的一部分为一体的，或者第一压电体和第三压电体分别与第二压电体的两个不同部分为一体的，或者所述的三个压电体为一体的。

一种所述相向摩擦力三折叠压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设XYZ压电扫描管，所述XYZ压电扫描管的一端固定于三折叠压电体的一端，并且该XYZ压电扫描管的轴向与平行双轨架的导向方向一致。

一种所述相向摩擦力三折叠压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设XYZ压电扫描管，滑杆，滑杆弹簧片，滑杆导轨架，所述滑杆导轨架固定于平行双轨架上并且二者的导向方向一致，所述滑杆弹簧片将滑杆弹压在滑杆导轨架的导轨上，滑杆的轴向与滑杆导轨架的导向方向一致，XYZ压电扫描管与滑杆共轴地固定，在三折叠压电体的推动下，滑杆沿其轴向在滑杆导轨架上滑动。

一种所述相向摩擦力三折叠压电马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述的三个压电体，完成一步的步进：

(a)第一压电体做周期性形变，频率为ω1，第三压电体静止，第二压电体的形变由如下两部分叠加而成：第一部分为频率为ω1的周期性形变并与第一压电体的周期性形变形成推挽，第二部分为单向形变，且在其完成形变时，第一压电体至少完成了超过半个周期的形变；

(b)第一压电体静止，第三压电体做周期性形变，频率为ω3，第二压电体的形变由如下两部分叠加而成：第一部分为频率为ω3的周期性形变并与第三压电体的周期性形变形成推挽，第二部分为单向形变且形变方向与其在(a)中的形变反向相反，且在其完成形变时，第三压电体至少完成了超过半个周期的形变。

所述第一压电体做周期性形变时的频率ω1等于第三压电体做周期性形变时的频率ω3。

本发明的相向摩擦力三折叠压电马达的工作原理是：工作时，先让第三压电体保持静止，并让第一压电体以较高的频率ω1做周期性形变(伸缩振动)，同时第二压电体缓慢的单向形变(比如收缩)，这将导致第一压电体相对于平行双轨架会被拉移动一段距离Δs1，这是因为第三压电体的静止导致第三压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力f_still大于第一压电体在平行双轨架上作相向运动而产生的被抵消了的动摩擦力f_vib。接着，让第一压电体静止而第三压电体以较高的频率ω3做周期性形变(伸缩振动)，同时让第二压电体缓慢地反向形变(伸长)，这导致第三压电体相对于平行双轨架会被推移动一段距离Δs3，且该移动的方向与之前第一压电体的移动方向一致。至此马达已步进了一步。如此重复可实现一步步地行走。类似地原理也能让马达反向步进，因为马达在行走方向上是前后对称的。

当然，我们可以让上述的ω1＝ω3，而且，如果上述第一压电体与第二压电体是相同的，且两个弹簧片的弹力相同，上述第一压电体与第二压电体每一步的移动距离是相同的：Δs1＝Δs3。

通常要求第二压电体的单向慢形变(或反向的单向慢形变)的形变速率小于第一压电体(或第三压电体)的周期性形变速率。也即在第二压电体完成某一方向的慢形变时，周期性形变着的第一压电体或第三压电体要至少完成了超过半个周期的形变，否则马达行走不顺，甚至不走。这是因为：设第一压电体在做伸缩振动但伸缩的速率低至与第二压电体的单向慢形变的速率差不多，则当第一压电体被第二压电体拉动时，第一压电体的两端有一端相对于平行双轨架可能是静止的，受到的是静摩擦力。一般，只有动摩擦力，其大小才是不依赖于运动方向和速度的常数，静摩擦力则不是常数，而是介于0到最大静摩擦力之间某个值，取决于运动倾向的大小。所以，只有当第二压电体的单向慢形变速率比第一压电体的伸缩振动速率更低时，才能确保在任何时候，第一压电体相向运动的两端受到的都是动摩擦力，且方向相反，能够很好地抵消。这一分析对第二压电体在需要推动第三压电体时，也同样成立。

我们可以在所述三折叠压电体的两端与平行双轨架之间，于所述两弹簧片相对称的位置处分别增设固定于三折叠压电体两端的两垫片，该两垫片与平行双轨架弹性相压。这样，就是以两垫片和两弹簧片在平行双轨架上滑动着行走，可以保护压电体，避免压电体在平行双轨架上磨损。

我们也可在所述三折叠压电体的一端或两端增设支撑于所述端的弹簧片和垫片之间的支撑杆。这样，支撑杆可以把其所在一端的各压电体撑分开一点，使得各压电体的形变更加自由，行走更加顺畅。

所述的三个压电体可以各自为一个压电片叠堆，以增加输出推力。

所述的第一压电体可以与第二压电体的一部分为一体的，也可以第一压电体和第三压电体分别与第二压电体的两个不同部分为一体的，还可以所述的三个压电体为一体的，这样在两个、甚至一个压电体块上就能加工出所述的三折叠压电体，使得马达更加紧凑，刚性更强。

所述的相向摩擦力三折叠压电马达可按如下结构制成扫描探针显微镜：增设XYZ压电扫描管，所述XYZ压电扫描管的一端固定于三折叠压电体的一端，并且该XYZ压电扫描管的轴向与平行双轨架的导向方向一致。这样，当三折叠压电体在平行双轨架上行走时，就带着XYZ压电扫描管一起行走，如果XYZ压电扫描管的自由端上固定有探针，而其指向的前方有样品固定于平行双轨架上，就能实现探针-样品间的粗逼近，再由XYZ压电扫描管实现探针相对于样品表面的扫描成像。

所述的相向摩擦力三折叠压电马达还可按如下结构制成扫描探针显微镜：增设XYZ压电扫描管，滑杆，滑杆弹簧片，滑杆导轨架，所述滑杆导轨架固定于平行双轨架上并且二者的导向方向一致，所述滑杆弹簧片将滑杆弹压在滑杆导轨架的导轨上，滑杆的轴向与滑杆导轨架的导向方向一致，XYZ压电扫描管与滑杆共轴地固定，在三折叠压电体的推动下，滑杆沿其轴向在滑杆导轨架上滑动。这样，当三折叠压电体在平行双轨架上行走时，就推着滑杆沿其轴向在滑杆导轨架上滑动，从而带着XYZ压电扫描管一起行走，如果XYZ压电扫描管的自由端上固定有探针，而其指向的前方有样品固定于平行双轨架上，就能实现探针-样品间的粗逼近，再由XYZ压电扫描管实现探针相对于样品表面的扫描成像。

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)、结构简单、紧凑、刚性强：本发明仅使用了三个压电体，且三个压电体可以密堆叠成，敦厚结实，结构小且紧凑。

(2)、压电材料的使用效率高，推力大：主推动压电体(本发明中的第二压电体)有效长度可以与马达本身(即三折叠压电体)的长度一样，而不是更短，所以压电材料的使用效率高，推力也就增大。

(3)只有两个弹簧片，摩擦力的配合调节容易得多。

(3)、行程大：理论上行程只受导轨长度的限制。

(4)、工作温区大：本发明中的三折叠压电体通过长程作用的弹力夹持于平行双轨体之间，所以即使工作温度变化很大也不会明显改变摩擦力的原有配合，马达可以照常工作。非常适合于在低温强磁场等极端条件中应用。

附图说明

图1是本发明基本型的相向摩擦力三折叠压电马达结构示意图。

图2是本发明有垫片型的相向摩擦力三折叠压电马达结构示意图。

图3是本发明有支撑杆型相向摩擦力三折叠压电马达结构示意图。

图4是本发明二合一体型相向摩擦力三折叠压电马达结构示意图。

图5是本发明三合一体型相向摩擦力三折叠压电马达结构示意图。

图6是本发明相向摩擦力三折叠压电马达制成的连体扫描探针显微镜结构示意图。

图7是本发明相向摩擦力三折叠压电马达制成的分体扫描探针显微镜结构示意图。

图8是本发明相向摩擦力三折叠压电马达控制方法的示意图。

图中标号：1平行双轨架，2A、2B、2C第一、二、三压电体，3A、3B弹簧片，4压电体形变方向，5A、5B压电体粘接点，6A、6B垫片，7A、7B支撑杆，

MS1 XYZ压电扫描管，MS2滑杆，MS3滑杆弹簧片，MS4滑杆导轨架，MS5探针，MS6样品，

P1第一压电体控制信号波形，P3第三压电体控制信号波形，P2第二压电体合成控制信号波形，P2a第二压电体控制信号分量a，P2b第二压电体控制信号分量b。

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：基本型相向摩擦力三折叠压电马达

参见附图1，本发明相向摩擦力三折叠压电马达，包括平行双轨架1、其特征是还包括三个压电体2A、2B、2C，两个弹簧片3A、3B，所述三个压电体2A、2B、2C的形变方向4一致并按折叠结构将第一压电体2A的一端与第二压电体2B的一端5A相固定，第二压电体2B的另一端5B与第三压电体2C的一端相固定，此结构称为三折叠压电体，其两端分别固定有弹簧片3A、3B，以此将所述三折叠压电体弹性地压在所述平行双轨架1的双轨之间，且三折叠压电体的形变方向4与平行双轨架1的导向方向一致，调节所述两弹簧片3A、3B的弹性，以满足如下摩擦力配合条件：当第一压电体2A做周期性形变时，其与平行双轨架1之间的摩擦力小于第三压电体2C与平行双轨架1之间的最大静摩擦力，当第三压电体2C做周期性形变时，其与平行双轨架1之间的摩擦力小于第一压电体2A与平行双轨架1之间的最大静摩擦力。

工作时，先让第三压电体2C保持静止，并让第一压电体2A以较高的频率ω1做周期性形变(伸缩振动)，同时第二压电体2B缓慢的单向形变(比如收缩)，这将导致第一压电体2A相对于平行双轨架1会被拉移动一段距离Δs1，这是因为第三压电体2C的静止导致第三压电体2C与平行双轨架1之间的静摩擦力f_still大于第一压电体2A在平行双轨架1上相向运动而产生的被抵消了的动摩擦力f_vib。接着，让第一压电体2A静止而第三压电体2C以ω3做周期性形变(伸缩振动)，同时让第二压电体2B缓慢地反向形变(伸长)，这导致第三压电体2C相对于平行双轨架1会被推移动一段距离Δs3，且该移动的方向与之前第一压电体2A的移动方向一致。至此马达已步进了一步。如此重复可实现一步步地行走。类似地原理也能让马达反向步进，因为马达在行走方向上是前后对称的。

实施例2：有垫片型相向摩擦力三折叠压电马达

参见附图2，在上述实施例中的三折叠压电体的两端与平行双轨架1之间，于所述两弹簧片3A、3B相对称的位置处分别增设固定于三折叠压电体两端的两垫片6A、6B，该两垫片6A、6B与平行双轨架1弹性相压。垫片6A、6B的作用是与平行双轨架1相摩擦，从而避免压电体直接与平行双轨架1摩擦而损坏。

实施例3：有支撑杆型相向摩擦力三折叠压电马达

参见附图3，在上述实施例中的三折叠压电体的一端或两端增设支撑于所述端弹簧片3A、3B和垫片6A、6B之间的支撑杆7A、7B。这样，支撑杆7A、7B可以把其所在一端的各压电体撑分开一点，使得各压电体的形变更加自由，行走更加顺畅。

实施例4：压电片叠堆型相向摩擦力三折叠压电马达

上述实施例中的三个压电体2A、2B、2C可各自为一个压电片叠堆，以增加输出推力。

实施例5：一体型相向摩擦力三折叠压电马达

上述实施例中的第一压电体2A可以与第二压电体2B的一部分为一体的，也可以第一压电体2A和第三压电体2C分别与第二压电体2B的两个不同部分为一体的(参见附图4)，还可以所述的三个压电体2A、2B、2C为一体的(参见附图5)，这样在两个(参见附图4)、甚至一个(参见附图5)压电体块上就能加工出所述的三折叠压电体，使得马达更加紧凑，刚性更强。

实施例6：相向摩擦力三折叠压电马达制成的连体扫描探针显微镜

上述实施例中的相向摩擦力三折叠压电马达可按如下结构制成扫描探针显微镜(参见附图6)：增设XYZ压电扫描管MS1，所述XYZ压电扫描管MS1的一端固定于三折叠压电体的一端，并且该XYZ压电扫描管MS1的轴向与平行双轨架1的导向方向一致。这样，当三折叠压电体在平行双轨架1上行走时，就带着XYZ压电扫描管MS1一起行走，如果XYZ压电扫描管MS1的自由端上固定有探针，而其指向的前方有样品固定于平行双轨架1上，就能实现探针-样品间的粗逼近，再由XYZ压电扫描管MS1实现探针相对于样品表面的扫描成像。

实施例7：相向摩擦力三折叠压电马达制成的分体扫描探针显微镜

上述实施例中的相向摩擦力三折叠压电马达还可按如下结构制成扫描探针显微镜(参见附图7)：增设XYZ压电扫描管MS1，滑杆MS2，滑杆弹簧片MS3，滑杆导轨架MS4，所述滑杆导轨架MS4固定于平行双轨架1上并且二者的导向方向一致，所述滑杆弹簧片MS3将滑杆MS2弹性地压在滑杆导轨架MS4的导轨上，滑杆MS2的轴向与滑杆导轨架MS4的导向方向一致，XYZ压电扫描管MS1与滑杆MS2共轴地固定，在三折叠压电体的推动下，滑杆MS2沿其轴向在滑杆导轨架MS4上滑动。这样，当三折叠压电体在平行双轨架1上行走时，就推着滑杆MS2沿其轴向在滑杆导轨架MS4上滑动，从而带着XYZ压电扫描管MS1一起行走，如果XYZ压电扫描管MS1的自由端上固定有探针，而其指向的前方有样品固定于平行双轨架1上，就能实现探针-样品间的粗逼近，再由XYZ压电扫描管MS1实现探针相对于样品表面的扫描成像。

实施例8：相向摩擦力三折叠压电马达的控制方法

上述相向摩擦力三折叠压电马达控制方法对应的控制信号波形见附图8。先让第三压电体2C保持静止，并让第一压电体2A以较高的频率ω1做周期性形变(伸缩振动)，同时让第二压电体2B以相同频率配合第一压电体2A做“推挽(push-pull)”运动，这会让第一压电体2A的两端自由地相向运动，这将大大地减少第一压电体2A与平行双轨架1间的摩擦阻力f_vib(因为第一压电体2A内部的动摩擦力因相向运动而相互抵消)，同时再让第二压电体2B缓慢地单向形变(比如收缩)，这导致第一压电体2A相对于平行双轨架1会被拉移动一段距离Δs1，因为第三压电体2C为静止，其受到的最大静摩擦力f_still远大于f_vib；接着，让第一压电体2A静止而第三压电2C以ω3做周期性形变(伸缩振动)，同时让第二压电体2B以同样的频率配合第三压电体2C做“推挽”运动并同时缓慢地反向形变(伸长)，这导致第三压电体2C相对于平行双轨架1会被推移动一段距离Δs3，且该移动方向与之前第一压电体2A的移动方向一致。至此马达已步进了一步。如此重复可实现一步步地行走。类似地原理也能让马达反向步进，因为马达在行走方向上是前后对称的。

通常要求第二压电体的单向慢形变(或反向的单向慢形变)的形变速率小于第一压电体(或第三压电体)的周期性形变速率。也即在第二压电体完成某一方向的慢形变时，周期性形变着的第一压电体或第三压电体要至少完成了超过半个周期的形变，否则马达行走不顺，甚至不走。这是因为：设第一压电体在做伸缩振动但伸缩的速率低至与第二压电体的单向慢形变的速率差不多，则当第一压电体被第二压电体拉动时，第一压电体的两端有一端相对于平行双轨架可能是静止的，受到的是静摩擦力。一般，只有动摩擦力，其大小才是不依赖于运动方向和速度的常数，静摩擦力则不是常数，而是介于0到最大静摩擦力之间某个值，取决于运动倾向的大小。所以，只有当第二压电体的单向慢形变速率比第一压电体的伸缩振动速率更低时，才能确保在任何时候，第一压电体相向运动的两端受到的都是动摩擦力，且方向相反，能够很好地抵消。这一分析对第二压电体在需要推动第三压电体时，也同样成立。

Claims (9)

1.一种相向摩擦力三折叠压电马达，包括平行双轨架，其特征是还包括三个压电体、两个弹簧片，所述三个压电体的形变方向一致并按折叠结构将第一压电体的一端与第二压电体的一端相固定，第二压电体的另一端与第三压电体的一端相固定，此结构称为三折叠压电体，其同侧两端分别固定有弹簧片，以此将所述三折叠压电体弹性地压在所述平行双轨架的双轨之间，且三折叠压电体的形变方向与平行双轨架的导向方向一致，调节所述两弹簧片的弹性，以满足如下摩擦力配合条件：当第一压电体做周期性形变时，其与平行双轨架之间的摩擦力小于第三压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力，当第三压电体做周期性形变时，其与平行双轨架之间的摩擦力小于第一压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力。

2.根据权利要求1所述的相向摩擦力三折叠压电马达，其特征是在所述三折叠压电体的两端与平行双轨架之间，于所述两弹簧片相对称的位置处分别增设固定于三折叠压电体两端的两垫片，该两垫片与平行双轨架弹性相压。

3.根据权利要求2所述的相向摩擦力三折叠压电马达，其特征是在所述三折叠压电体的一端或两端增设支撑于所述端的弹簧片和垫片之间的支撑杆。

4.根据权利要求1或2或3所述的相向摩擦力三折叠压电马达，其特征是所述的三个压电体各自为一个压电片叠堆。

5.根据权利要求1或2或3所述的相向摩擦力三折叠压电马达，其特征是所述的第一压电体与第二压电体的一部分为一体的，或者第一压电体和第三压电体分别与第二压电体的两个不同部分为一体的，或者所述的三个压电体为一体的。

6.一种权利要求1所述相向摩擦力三折叠压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设XYZ压电扫描管，所述XYZ压电扫描管的一端固定于三折叠压电体的一端，并且该XYZ压电扫描管的轴向与平行双轨架的导向方向一致。

7.一种权利要求1所述相向摩擦力三折叠压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设XYZ压电扫描管，滑杆，滑杆弹簧片，滑杆导轨架，所述滑杆导轨架固定于平行双轨架上并且二者的导向方向一致，所述滑杆弹簧片将滑杆弹性地压在滑杆导轨架的导轨上，滑杆的轴向与滑杆导轨架的导向方向一致，XYZ压电扫描管与滑杆共轴地固定，在三折叠压电体的推动下，滑杆沿其轴向在滑杆导轨架上滑动。

8.一种权利要求1所述的相向摩擦力三折叠压电马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述的三个压电体，完成一步的步进：

(a)第一压电体做周期性形变，频率为ω1，第三压电体静止，第二压电体的形变由如下两部分叠加而成：第一部分为频率为ω1的周期性形变并与第一压电体的周期性形变形成推挽，第二部分为单向形变，且在其完成形变时，第一压电体至少完成了超过半个周期的形变；

(b)第一压电体静止，第三压电体做周期性形变，频率为ω3，第二压电体的形变由如下两部分叠加而成：第一部分为频率为ω3的周期性形变并与第三压电体的周期性形变形成推挽，第二部分为单向形变且形变方向与其在(a)中的形变反向相反，且在其完成形变时，第三压电体至少完成了超过半个周期的形变。

9.根据权利要求6所述的相向摩擦力三折叠压电马达的控制方法，其特征是所述第一压电体做周期性形变时的频率ω1等于第三压电体做周期性形变时的频率ω3。