CN107086812A - 一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，包括基座、两个剪切压电叠堆、一个刚性导向槽、一个可调柔性传力块和滑杆，所述两个剪切压电叠堆正负极分别短接，并于其上施加电压驱动信号，所述两个剪切压电叠堆按照伸缩方向平行固定于基座上，所述刚性导向槽和可调柔性传力块分别粘结于两个剪切压电叠堆自由端的相对面，利用刚性导向槽凹槽的两条棱和可调柔性传力块将滑杆通过挤压方式固定于两个剪切压电叠堆之间，该挤压压力满足：传力块与滑杆间的最大静摩擦力略大于滑杆本身重力。本发明利用刚性导向槽和可调柔性传力块挤压固定滑杆，结构简单易加工，刚性强，适合作为极端条件下的扫描探针显微镜和精密光学系统的微调定位装置使用。
Description
技术领域
本发明属于压电定位器技术领域，涉及一种微驱动系统，具体涉及一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达。
背景技术
纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。随着纳米科学技术的发展，又引发了一系列新的科学技术，如纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等，而纳米马达正是纳米科技研究中用于纳米定位和纳米测量的新型微驱动系统。
纳米马达是一种能够同时实现纳米级定位精度和厘米级行程的压电定位器，它主要依靠压电形变效应的累加效果来产生移动，而将压电陶瓷片以某种叠装方式制成剪切压电叠堆，不仅保持了压电陶瓷片原有的特性和优点，而且其位移量和输出力都较单个压电陶瓷片有较大提高。由于纳米马达具有结构简单、设计灵活、驱动力大等优点而被广泛应用于纳米技术、微机械和微系统、通讯传感技术、半导体技术、光电子技术、电子扫描技术、微生物技术和航空航天等领域，特别是在极低温和超强磁场等极端条件下作为纳米科学研究中的理想微调定位装置。
公开号为CN106546770A、名称为“一种基于惯性压电马达的扫描隧道显微镜”的发明发明公开的基于惯性压电马达的扫描隧道显微镜，包括一个压电扫描管，T型绝缘导轨，四个氮化硅圆珠，金属弹片，滑杆，镜体和探针。其中，四个氮化硅圆珠和金属弹片粘接在绝缘导轨之上，通过挤压方式固定其内的滑杆。绝缘导轨粘接固定于压电扫描管一端，压电扫描管的另一端粘接固定于显微镜镜体上。基于滑杆的惯性，给压电扫描管的四个外电极施加一路脉冲电压信号即可实现滑杆的纳米级步进。步进完成后，给压电扫描管四个外电极施加两路频率不同的推挽电压信号即可实现样品表面的XY方向扫描，压电扫描管的内电极用于扫描反馈控制。该发明中的马达的结构中采用一个空心圆柱形的绝缘导轨，但是考虑到将圆柱形的导轨粘结于呈平面的剪切压电叠堆上比较困难且结构刚性不强，同时该发明是在导轨内部手工粘结四个氮化硅圆球来支撑滑杆并对滑杆步进起到一定导向作用，而操作者的手工粘结并不能保证四个氮化硅圆球以每两个为一组完全落座于一条直线上，且误差越大对马达的步进造成的影响也越大。
现就目前应用较为广泛的几款马达结构进行比较：
(1)Pan型压电步进马达：使用6组剪切剪切压电叠堆相互挤压固定中心的滑杆，通过控制器和高压放大器输出6路高压脉冲信号驱动剪切剪切压电叠堆交替滑动实现步进，步进完成后通过置于滑杆顶部的压电扫描管进行扫描。其制作较为复杂且工作不稳定，同时多路高压控制器的购买价格昂贵。
(2)横向惯性马达：由压电陶瓷和一个横向粘结于其上的导轨组成，通过给压电片缓慢施加电压使其产生形变来横向推动导轨前移实现马达步进。该马达的滑块与导轨间作用力靠重力来维持，对外界振动敏感，从而抗干扰能力弱，且安装方向单一，导轨不能竖直或倾斜放置。
(3)Koala型压电马达：使用两个压电扫描管串联，利用固定于压电扫描管顶部、中部和底部的三组弹簧挤压固定置于中心的滑杆，然后通过脉冲电压信号控制两个压电扫描管的有序伸缩，实现探针-样品的逼近，步进完成后，利用第三根压电扫描管进行扫描，而且对三组弹簧的加工和组装精度要求非常高，结构稳定性不高。
发明内容
本发明目的是在上述现有技术的马达的基础上，在不增加压电马达结构复杂度的同时降低装配难度、增强结构刚度和提高步进精度。为此本发明提供了一种新型的由两组剪切压电叠堆并行推进的惯性纳米步进马达，该马达制作简单且材料易于获取，仅需两组剪切压电叠堆、一个刚性导向槽和一个铍铜弹簧片，同时该马达的控制信号也非常简单，仅需一路锯齿波电压驱动信号即可控制滑杆的前后步进，具有纳米级定位精度和厘米级的调节范围，此外，本发明具有较大的驱动力，非常适合作为极端条件下的扫描探针显微镜和精密光学系统的微调定位装置使用。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，包括基座、两个剪切压电叠堆、一个刚性导向槽、一个可调柔性传力块和滑杆，所述两个剪切压电叠堆正负极分别短接，并于其上施加电压驱动信号，所述两个剪切压电叠堆按照伸缩方向平行固定于基座上，所述刚性导向槽和可调柔性传力块分别粘结于两个剪切压电叠堆自由端的相对面，利用刚性导向槽凹槽的两条棱和可调柔性传力块将滑杆通过挤压方式固定于两个剪切压电叠堆之间，该挤压压力满足：传力块与滑杆间的最大静摩擦力略大于滑杆本身重力。
进一步，上述刚性导向槽可以由任何表面光滑且易加工的材料加工而成，所述可调柔性传力块为铍铜弹簧片。
进一步，上述凹槽为竖直开设于刚性导向槽的正中间，宽度略小于滑杆的直径。
进一步，上述电压驱动信号优选为锯齿波信号。
相较于现有技术，本发明的有益效果体现在：
1.结构刚性强且步进精度高：利用长方体形状的导向槽与柔性传力块共同挤压固定中心滑杆，使得压电马达具有更好的刚性和步进精度；
2.结构简单紧凑易加工：长方体形状的导向槽和柔性传力块结构简单易加工，且导向槽与方形的剪切压电叠堆组装更加简单贴合；
3.电压驱动信号少：仅需一路锯齿波电压驱动信号即可控制马达的步进行走；
4.驱动力和驱动行程大：本发明利用滑杆的惯性进行工作，驱动能力和驱动行程在理论上仅取决于滑杆质量和长度。
附图说明
图1本发明的结构安装示意图；
图2本发明的俯视图；
图3本发明的驱动信号示意图；
图4本发明的向上步进示意图。
图中：基座1；剪切压电叠堆2；刚性导向槽3；铍铜弹簧片4；滑杆5。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。
基于现有技术中的马达所存在的种种弊端，本发明对已有的马达结构进行了相应改进。首先将圆柱形的绝缘导轨换成了长方体结构的导向槽，因为这种导向槽的设计与剪切压电叠堆更加贴合，可以提高结构刚性且大大降低装配难度。其次在长方体导向槽自由端的正中间竖直开设有一条宽度略小于滑杆直径的凹槽，通过该凹槽的两条棱支撑滑杆来代替先前结构中的四个氮化硅圆球，这样既提高了结构的精度同时也降低了传力块与滑杆间的摩擦力。
如图1所示，本发明所述一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，包括基座1，两个剪切压电叠堆2，传力块(一个刚性导向槽3和一个可调柔性传力块4)和滑杆5。其中，所述两个剪切压电叠堆2按照伸缩方向平行固定于基座1上，所述刚性导向槽3和可调柔性传力块4分别粘结于两个剪切压电叠堆2自由端的相对面，利用凹槽的两条棱和可调柔性传力块4将滑杆5通过挤压方式固定于两个剪切压电叠堆2的内部，其挤压压力满足：传力块与滑杆5间的最大静摩擦力略大于滑杆5本身的重力。
如图1所示，所述刚性导向槽3可以由任何表面光滑且易加工的材料加工而成，所述柔性传力块4为铍铜弹簧片。
如图2所示，所述刚性导向槽3的正中间竖直开设有一条宽度略小于滑杆5直径的凹槽。
如图3所示，所述两个剪切压电叠堆2正负极分别短接，并于其上施加一路锯齿波电压驱动信号。
如图4所示，本发明所述一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达的工作过程如下：
T0-T1时段，在两组剪切压电叠堆2的电极上施加一路缓慢增长的电压信号，根据压电陶瓷片的压电效应，两组剪切压电叠堆2会缓慢伸长，在静摩擦力的作用下，固定于剪切压电叠堆2自由端的刚性导向槽3和铍铜弹簧片4将带动滑杆5向上产生一定位移；
T1时刻，将施加于两组剪切压电叠堆2上的电压信号突然撤除，两组剪切压电叠堆2将带动刚性导向槽3和铍铜弹簧片4瞬间收缩至其初始状态，而由于滑杆5自身的惯性作用，滑杆5将相对于两传力块产生相对滑动，从而实现一次步进过程。
如此循环往复即可实现马达向上的连续步进，同理，施加反向锯齿波电压驱动信号即可控制马达向下连续步进。
Claims (4)
1.一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，包括基座、两个剪切压电叠堆、一个刚性导向槽、一个可调柔性传力块和滑杆，所述两个剪切压电叠堆正负极分别短接，并于其上施加电压驱动信号，其特征在于：所述两个剪切压电叠堆按照伸缩方向平行固定于基座上，所述刚性导向槽和可调柔性传力块分别粘结于两个剪切压电叠堆自由端的相对面，利用刚性导向槽凹槽的两条棱和可调柔性传力块将滑杆通过挤压方式固定于两个剪切压电叠堆之间，该挤压压力满足：传力块与滑杆间的最大静摩擦力略大于滑杆本身重力。
2.根据权利要求1所述的基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，其特征在于所述刚性导向槽可以由任何表面光滑且易加工的材料加工而成，所述可调柔性传力块为铍铜弹簧片。
3.根据权利要求1所述的基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，其特征在于所述凹槽为竖直开设于刚性导向槽的正中间，宽度略小于滑杆的直径。
4.根据权利要求1所述一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达，其特征在于所述电压驱动信号为锯齿波信号。
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|---|---|
| CN (1) | CN107086812A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107681917A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-02-09 | 南京邮电大学 | 一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达 |
| CN111664781A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-15 | 东北林业大学 | 基于非线性压电效应预测压电陶瓷剪切运动位移的方法 |
| CN114442303A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 南京邮电大学 | 一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090195122A1 (en) * | 2008-02-06 | 2009-08-06 | Innowattech Ltd. | Power Harvesting From Railway; Apparatus, System And Method |
| CN103427703A (zh) * | 2013-07-11 | 2013-12-04 | 南京邮电大学 | 基于剪切压电效应的微型纳米马达 |
| CN104393786A (zh) * | 2014-12-09 | 2015-03-04 | 南京邮电大学 | 一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达 |
| CN206820676U (zh) * | 2017-05-16 | 2017-12-29 | 南京邮电大学 | 一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达 |
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2017
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090195122A1 (en) * | 2008-02-06 | 2009-08-06 | Innowattech Ltd. | Power Harvesting From Railway; Apparatus, System And Method |
| CN103427703A (zh) * | 2013-07-11 | 2013-12-04 | 南京邮电大学 | 基于剪切压电效应的微型纳米马达 |
| CN104393786A (zh) * | 2014-12-09 | 2015-03-04 | 南京邮电大学 | 一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达 |
| CN206820676U (zh) * | 2017-05-16 | 2017-12-29 | 南京邮电大学 | 一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107681917A (zh) * | 2017-10-18 | 2018-02-09 | 南京邮电大学 | 一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达 |
| CN111664781A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-15 | 东北林业大学 | 基于非线性压电效应预测压电陶瓷剪切运动位移的方法 |
| CN114442303A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 南京邮电大学 | 一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器 |
| CN114442303B (zh) * | 2022-01-27 | 2024-03-08 | 南京邮电大学 | 一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器 |
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