CN106301065B - 具有毫米行程的单轴纳米位移执行器 - Google Patents
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Abstract
一种具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，在其直线导向底座的一侧设有梯形凹槽，在该梯形凹槽的两个斜面上设有两对剪切压电陶瓷叠堆，在剪切压电陶瓷叠堆的顶端设有光滑支撑块，在该直线导向底座与直线运动负载台之间设有相互吸引的磁力预紧机构；所述的直线运动负载台的截面为与该梯形凹槽配合的梯形台，该梯形台的两个斜面与所述的光滑支撑块顶端接触，该直线运动负载台与该直线导向底座之间通过磁力预紧机构的磁力相互吸引定位。本发明的优点是：采用磁力预紧机构，使得各压电陶瓷所受的正压力基本一致，从而使纳米位移执行器结构简单紧凑、装配简便以及抗干扰能力强；磁力预紧机构与直线运动负载台之间不产生摩擦力，增加了其负载能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，是一种具有毫米行程、同时拥有纳米级步进分辨率和重复性的新型单轴纳米位移执行器，属于精密定位技术领域。主要适用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜、集成电路的加工和衍射光栅刻划机等众多领域中的样品扫描及精密定位。
背景技术
在扫描隧道显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜以及衍射光栅刻划机等高精度测试加工设备中，具有纳米级定位精度的驱动执行器是设备最重要的核心部件之一。对于单轴方向的纳米运动，现在主要的驱动执行器有一维纳米台、惯性压电驱动器和尺蠖压电驱动器等。 其中一维纳米台机构由单轴纵向伸长压电陶瓷棒、 整体切割柔性铰链及杠杆机构、压电陶瓷控制器构成。纳米台运动的基本原理为：压电陶瓷棒在施加电压后,由于逆压电效应,导致纵向长度伸长, 由于纳米台固定部分和移动部分之间通过柔性铰链连接，因而压电陶瓷棒长度变化将推动纳米台移动。因为压电陶瓷棒长度变化较小, 通常在柔性铰链之前增加杠杆机构放大位移。
惯性压电驱动器主要由压电陶瓷管、蓝宝石棒和滑块组成。惯性压电驱动器的基本原理：压电陶瓷棒在施加电压后伸长，并带动蓝宝石棒和滑块一起移动，然后立即撤除压电陶瓷棒上的电压后使压电陶瓷棒快速回复，滑块在惯性的作用下移动的距离较小从而实现纳米级步进。尺蠖压电驱动器主要由压电陶瓷管及滑杆组成。尺蠖压电驱动器的基本原理：通过两边的压电陶瓷管依次径向收缩夹紧滑杆，再通过中间的压电陶瓷管轴向伸长推动两边的压电陶瓷管及滑杆轴向运动，从而实现纳米级步进。
所述的一维纳米台由于采用压电陶瓷棒推动加杠杆机构放大的结构，行程受限。压电陶瓷棒与杠杆、柔性铰链组合的方式，行程无法达到毫米量级，且杠杆放大倍率越大，分辨率越低，稳定性越差。
惯性压电驱动器需要脉冲信号驱动压电陶瓷管瞬时变化，而脉冲信号中包含较多频率，对其他电信号干扰较大。另外，在驱动器竖直向上方向步进时，滑块的重力将严重降低马达的负载能力。
尺蠖压电驱动器使用压电陶瓷管改变对滑杆的正压力，来控制两端压电陶瓷管和滑杆之间的摩擦力大小，而压电陶瓷管提供的压力是短程力，且力梯度较高，这就要求尺蠖压电马达必须有较高的加工精度；温度变化也会影响压电陶瓷管与滑杆之间的压力设置，使其不能正常工作；其控制过程比较繁琐。
发明内容
本发明旨在提供一种具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，以解决现有技术存在的不能兼具纳米分辨率和毫米级行程，负载能力弱，只能在水平及接近水平方向上运动，结构复杂，以及对环境要求高的问题。
本发明的技术方案是：一种具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，其特征在于，包括直线导向底座、剪切压电陶瓷叠堆、光滑支撑块、磁力预紧机构及直线运动负载台，在直线导向底座的一侧设有梯形凹槽，在该梯形凹槽的两个斜面上设有两对剪切压电陶瓷叠堆，在剪切压电陶瓷叠堆的顶端设有光滑支撑块，在该直线导向底座与直线运动负载台之间设有相互吸引的磁力预紧机构；所述的直线运动负载台的截面为与该梯形凹槽配合的梯形台，该梯形台的两个斜面与所述的光滑支撑块顶端接触，该直线运动负载台与该直线导向底座之间通过磁力预紧机构的磁力相互吸引定位。
所述的磁力预紧机构包括设在该梯形凹槽的底面或/和该直线运动负载台顶面的相互对应的电磁铁或永磁体。
所述的磁力预紧机构可通过调节该梯形凹槽的底面和该直线运动负载台顶面上永磁体之间的距离来实现正压力可调，而电磁铁可通过调节电流大小来实现正压力可调，从而保证合适的正压力以产生所需的摩擦力。
通过精密电压控制电路给4个剪切压电陶瓷叠堆提供电压控制信号，该电压控制信号通过对剪切压电陶瓷叠堆电压位移曲线进行拟合后得到，从而实现剪切压电陶瓷叠堆的非线性修正以保证步进时所有剪切压电陶瓷叠堆移动距离的一致，从而实现纳米位移执行器的纳米级步进及毫米级行程。
通过所述的剪切压电陶瓷叠堆进行位置的微调以保证正压力的一致。
本发明的优点是：采用磁力预紧机构，使得各压电陶瓷所受的正压力基本一致，从而使纳米位移执行器结构简单紧凑、装配简便以及抗干扰能力强；并且磁力预紧机构与直线运动负载台之间不产生摩擦力，降低了直线运动负载台步进时的阻力，增加了其负载能力。另外，磁力预紧机构保证了该纳米位移执行器在水平、垂直及任意倾斜角度均可保持静止状态及稳定移动，使其应用范围更加广泛。
附图说明
图1是本发明实施例的总体结构示意图；
图2是图1中下半部（除去直线运动负载台）的俯视图；
图3是本发明步进原理示意图；
图4是本发明步进电压控制信号波形图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明一种具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，包括直线导向底座1、剪切压电陶瓷叠堆3、光滑支撑块4、磁力预紧机构2及直线运动负载台5，在直线导向底座1的上面设有梯形凹槽，在该梯形凹槽的两个斜面上设有两对剪切压电陶瓷叠堆3（每个斜面各设两个，设在沿直线运动负载台5的移动方向的直线上），在每一剪切压电陶瓷叠堆3的顶端各设有一个光滑支撑块4，在该直线导向底座1与直线运动负载台5之间设有相互吸引的磁力预紧机构2；所述的直线运动负载台5的截面为与该梯形凹槽配合的梯形台，该梯形台的两个斜面与所述的光滑支撑块4的顶端接触，该直线运动负载台5与该直线导向底座1之间通过磁力预紧机构2的磁力相互吸引定位。
所述的磁力预紧机构2设在该直线导向底座1的梯形凹槽的底面和设在该直线运动负载台5顶面的相互对应的电磁铁或永磁体，如果直线运动负载台5材质是磁吸材料，可以省略直线运动负载台5顶面的磁体。
本发明的基本工作原理为：负载置于直线运动负载台上，负载台5下是四个光滑支撑块4和四个剪切压电陶瓷叠堆3，负载台5与光滑支撑块4相接触，光滑支撑块4固定在剪切压电陶瓷叠堆3的末端。剪切压电陶瓷叠堆3支撑负载台5并提供直线运动所需的驱动力。负载台5及直线导向底座1上都有磁力预紧机构2，磁力预紧机构2之间相互吸引，使负载台5与起支撑作用的剪切压电陶瓷叠堆3之间保持大小可调的正压力，该正压力目的是产生适合的最大静摩擦力。
本发明的步进示意图如图3所示，图3中的（a）为所有剪切压电陶瓷叠堆3没有施加驱动电压的负载台5和剪切压电陶瓷叠堆3初始状态。驱动纳米位移执行器进行一次步进的步骤为：
1、通过电压放大电路给（b）中位于右上的第一个剪切压电陶瓷叠堆3-1供电（电压V1，如图4所示），此时剪切压电陶瓷叠堆3-1将产生水平方向上的相对滑动，使其在水平方向上产生形变（箭头所示），而此时保持另外三个剪切压电陶瓷叠堆保持静止无形变状态电压稳定，则三个压电陶瓷叠堆产生的静摩擦力保证使得负载台5静止保持不动。
2、维持第一个剪切压电陶瓷叠堆电压保持其使其产生形变，保持第三和第四个剪切压电陶瓷叠堆无不产生形变，对第二个压电陶瓷叠堆3-2施加电压V2，使其产生与第一个相同方向相同大小的形变（图3c）。
3、维持第一、第二个剪切压电陶瓷叠堆电压保持形变，保持第四个剪切压电陶瓷叠堆无形变，对第三个压电陶瓷叠堆3-3施加电压V3，使其产生与第一、第二个相同方向相同大小的形变（图3d）。
4、维持第一、第二、第三个剪切压电陶瓷叠堆电压保持形变，对第四个压电陶瓷叠堆3-4施加电压V4，使其产生与第一、第二、第三个相同方向相同大小的形变（图3e）。
5、同时撤去四个剪切压电陶瓷叠堆3上的电压，使其同时恢复到初始状态，从而带动直线运动负载台5实现纳米级步进（在初始状态线A的基础上向左移动一步，参见图3f）。
不断重复上述步进步骤，使该纳米位移执行器连续步进，从而使其行程能够达到毫米级。通过磁力预紧机构所提供的正压力可保证该纳米位移执行器在水平、垂直及任意倾斜角度均可保持静止状态及稳定移动。
本发明实现了一种同时兼具纳米分辨率和重复性、毫米级行程新型单轴纳米位移执行器。采用多个剪切压电陶瓷叠堆实现横向直线运动。设计了磁力预紧机构、实现非接触磁力预紧，增大了静摩擦力和负载能力，保证了剪切压电陶瓷叠堆步进时与直线运动负载台的相对静止。通过发明所述的步进步骤，实现了步进可变的纳米位移。通过重复单次步进步骤，实现了位移执行器的连续运动。
Claims (3)
1.一种具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，其特征在于，包括直线导向底座、剪切压电陶瓷叠堆、光滑支撑块、磁力预紧机构及直线运动负载台，在直线导向底座的一侧设有梯形凹槽，在该梯形凹槽的两个斜面上设有两对剪切压电陶瓷叠堆，在剪切压电陶瓷叠堆的顶端设有光滑支撑块，在该直线导向底座与直线运动负载台之间设有相互吸引的磁力预紧机构；所述的直线运动负载台的截面为与该梯形凹槽配合的梯形台，该梯形台的两个斜面与所述的光滑支撑块顶端接触，该直线运动负载台与该直线导向底座之间通过磁力预紧机构的磁力相互吸引定位；
通过精密电压控制电路给4个剪切压电陶瓷叠堆提供电压控制信号，该电压控制信号通过对剪切压电陶瓷叠堆电压位移曲线进行拟合后得到，从而实现剪切压电陶瓷叠堆的非线性修正以保证步进时所有剪切压电陶瓷叠堆移动距离的一致，从而实现纳米位移执行器的纳米级步进及毫米级行程；
通过所述的剪切压电陶瓷叠堆进行位置的微调以保证正压力的一致。
2.根据权利要求1所述的具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，其特征在于，所述的磁力预紧机构包括设在该梯形凹槽的底面或/和该直线运动负载台顶面的相互对应的电磁铁或永磁体。
3.根据权利要求1所述的具有毫米行程的单轴纳米位移执行器，其特征在于，所述的磁力预紧机构可通过调节该梯形凹槽的底面和该直线运动负载台顶面上永磁体之间的距离来实现正压力可调，而电磁铁可通过调节电流大小来实现正压力可调，从而保证合适的正压力以产生所需的摩擦力。
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