CN111308130B - 压电式位移装置及原子力显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电式位移装置，包括基体、第一位移台和第一限位组件。第一位移台沿第一方向活动设置于基体。第一限位组件设置于基体和第一位移台之间，第一限位组件沿与第一方向垂直的方向压紧第一位移台，第一限位组件用于保持第一位移台沿第一方向运动。本发明还涉及一种包括上述压电式位移装置的原子力显微镜。上述压电式位移装置及原子力显微镜，第一位移台能够相对于所述基体沿第一方向移动，并且通过第一限位组件对第一位移台沿与第一方向垂直的方向压紧第一位移台，第一限位组件避免了第一位移台在正常运动过程中产生其他方向的运动，进而实现了第一位移台带动探针或光电位置转换器的高精度、高直线性、高可重复性的位移。

Description

压电式位移装置及原子力显微镜

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，特别是涉及一种压电式位移装置及原子力显微镜。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope)是纳米科技领域的重要测量、表征和操纵工具。原子力显微镜中的探针和光电位置转换器PSD(Position Sensitive Detector)的水平面内的粗动一般通过多个小型两轴位移台来驱动。对于真空系统的原子力显微镜而言，上述位移台通常使用压电元件制作。传统的原子力显微镜中通常使用具有两个移动方向的压电堆垛制作探针和PSD的水平方向位移台，具有两个移动方向的压电堆垛在不同极化方向的交流电作用下发生移动。但传统的位移台重复运动一定次数后，容易发生偏离既定轨道或扭转等问题，严重影响驱动的精度。

发明内容

基于此，有必要针对现有原子力显微镜中的位移台运动精度随使用时间降低的问题，提供一种运动精度高且运动稳定性高的压电式位移装置及原子力显微镜。

一种压电式位移装置，包括：

基体；

第一位移台，沿第一方向活动设置于所述基体，所述第一位移台通入交流电时能够沿所述第一方向运动，进而带动探针或光电位置转换器移动；

第一限位组件，设置于所述基体和所述第一位移台之间，所述第一限位组件沿与所述第一方向垂直的方向压紧所述第一位移台，所述第一限位组件用于保持所述第一位移台沿所述第一方向运动。

在其中一个实施例中，所述第一限位组件包括第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构和所述第二限位结构分别设置于所述基体和所述第一位移台之间；在空间坐标系中，所述第一限位结构和所述第二限位结构分别沿与所述第一方向垂直的两个方向压紧所述第一位移台。

在其中一个实施例中，所述第一位移台沿堆叠方向堆叠设置于所述基体，所述堆叠方向垂直于所述第一方向；所述第一限位结构包括堆叠压紧块，所述堆叠压紧块设置于所述基体，所述堆叠压紧块压紧所述第一位移台沿所述堆叠方向远离所述基体的一侧，所述堆叠压紧块和所述基体夹紧所述第一位移台。

在其中一个实施例中，所述第一限位结构还包括底部摩擦副和顶部摩擦副，所述底部摩擦副设置于所述第一位移台和所述基体之间，所述顶部摩擦副设置于所述第一位移台和所述堆叠压紧块之间。

在其中一个实施例中，所述第一位移台包括第一基板和第一压电堆垛，所述第一基板与所述基体沿所述堆叠方向间隔设置，所述第一压电堆垛设置于所述第一基板靠近所述基体的一侧面，所述第一压电堆垛远离所述第一基板的一端沿所述第一方向滑动设置于所述基体，所述第一压电堆垛通入交流电时能够带动所述第一基板沿所述第一方向运动；所述底部摩擦副设置于所述第一压电堆垛和所述基体之间，所述顶部摩擦副设置于所述第一基板背离所述第一压电堆垛的一侧和所述堆叠压紧块之间。

在其中一个实施例中，所述底部摩擦副包括第一底部垫片和第二底部垫片，所述第一底部垫片和所述第二底部垫片分别设置于所述基体和所述第一压电堆垛，所述第一底部垫片和所述第二底部垫片相互贴合，所述第一底部垫片沿所述第一方向延伸；所述第一位移台相对于所述基体沿所述第一方向滑动时，所述第二底部垫片相对于所述第一底部垫片沿所述第一方向滑动；所述第一底部垫片和/或所述第二底部垫片的材质包括蓝宝石。

在其中一个实施例中，所述顶部摩擦副包括顶部圆球和顶部垫片，所述顶部圆球设置于所述堆叠压紧块，所述顶部垫片设置于所述第一基板背离所述第一压电堆垛的一侧，所述顶部圆球沿所述堆叠方向压紧所述顶部垫片，所述顶部垫片沿所述第一方向延伸，所述第一位移台相对于所述基体沿所述第一方向滑动时，所述顶部垫片相对于所述顶部圆球沿所述第一方向滑动；所述顶部圆球和/或所述顶部垫片的材质包括蓝宝石。

在其中一个实施例中，所述第一限位结构还包括顶部弹性件，所述顶部弹性件设置于所述堆叠压紧块和所述顶部圆球之间，所述顶部弹性件沿所述堆叠方向抵推所述顶部圆球，进而所述顶部圆球压紧所述顶部垫片。

在其中一个实施例中，所述第一位移台包括第一基板和第一压电堆垛，所述第一基板与所述基体沿所述堆叠方向间隔设置，所述第一压电堆垛设置于所述第一基板靠近所述基体的一侧面，所述第一压电堆垛远离所述第一基板的一端沿所述第一方向滑动设置于所述基体；所述第二限位结构包括一对侧向压紧块，一对所述侧向压紧块沿滑动侧向间隔、相对设置于所述基体，所述滑动侧向分别垂直于所述第一方向以及所述堆叠方向，一对所述侧向压紧块沿所述滑动侧向分别压紧所述第一基板的两端。

在其中一个实施例中，所述第二限位结构还包括至少两组侧向摩擦副，至少两组所述侧向摩擦副分别设置于两个所述侧向压紧块与所述第一基板之间。

在其中一个实施例中，两组所述侧向摩擦副分别包括侧向圆球和侧向垫片，两个所述侧向圆球分别设置于两个所述侧向压紧块，两个所述侧向垫片分别设置于所述第一基板沿滑动侧向的两端；两个所述侧向圆球沿所述滑动侧向分别压紧对应的所述侧向垫片，两个所述侧向垫片分别沿所述第一方向延伸，所述第一位移台相对于所述基体沿所述第一方向滑动时，两个所述侧向垫片分别相对于对应的所述侧向圆球沿所述第一方向滑动；所述侧向圆球和/或所述侧向垫片的材质包括蓝宝石。

在其中一个实施例中，所述第二限位结构还包括至少两个侧向弹性件，每个所述侧向弹性件分别设置于一个所述侧向压紧块和所述侧向圆球之间，所述侧向弹性件沿所述滑动侧向抵推所述侧向圆球，进而所述侧向圆球压紧所述侧向垫片。

在其中一个实施例中，所述第二限位结构包括多对所述侧向压紧块，多对所述侧向压紧块沿所述第一方向间隔设置，每对所述侧向压紧块沿滑动侧向间隔、相对设置于所述基体，每对所述侧向压紧块沿所述滑动侧向分别压紧所述第一基板的两端。

在其中一个实施例中，所述第一限位组件包括两个所述第一限位结构，两个所述第一限位结构沿所述滑动侧向间隔设置，两个所述第一限位结构分别沿所述堆叠方向压紧所述第一基板沿滑动侧向的两端；所述第一限位组件还包括两个第一固定结构，两个所述第一固定结构沿所述滑动侧向间隔、相对设置于所述基体，所述堆叠压紧块和所述侧向压紧块分别可拆卸的设置于所述第一固定结构。

在其中一个实施例中，所述压电式位移装置还包括第二位移台和第二限位组件；所述第二位移台沿第二方向活动设置于所述第一位移台，所述第二方向与所述第一方向呈设定角度，所述第二位移台运动时能够带动探针或光电位置转换器移动；第二限位组件设置于所述第二位移台和所述第一位移台之间，所述第二限位组件沿与所述第二方向垂直的方向压紧所述第二位移台，所述第二限位组件用于保持所述第二位移台沿所述第二方向运动。

在其中一个实施例中，所述基体、所述第一位移台以及所述第二位移台沿设定的方向顺次堆叠，并且堆叠的方向、所述第一方向以及所述第二方向之间两两垂直；所述第二位移台与所述第一位移台结构相同，所述第二位移台设置于所述第一位移台的方式与所述第一位移台设置于所述基体的方式相同，所述第二限位组件和所述第一限位组件结构相同。

在其中一个实施例中，所述压电式位移装置还包括安装位，所述安装位设置于所述第二位移台背离所述第一位移台的一侧，所述安装位用于安装探针或光电位置转换器。

一种原子力显微镜，包括上述方案任一项所述的压电式位移装置。

在其中一个实施例中，所述原子力显微镜还包括探针或光电位置转换器，所述探针或所述光电位置转换器设置于所述压电式位移装置，所述探针或所述光电位置转换器在所述压电式位移装置的带动下进行位置的移动。

上述压电式位移装置及原子力显微镜，第一位移台能够相对于所述基体沿第一方向移动，并且通过第一限位组件对第一位移台沿与第一方向垂直的方向压紧第一位移台，第一限位组件避免了第一位移台在正常运动过程中产生其他方向的运动，进而实现了第一位移台带动探针或光电位置转换器的高精度、高直线性、高可重复性的位移,有效避免了第一位移台运动过程中发生扭转等影响精度的现象。同理，使用本发明提供的压电式位移装置也能实现探针或光电位置转换器在平面内两个维度的平稳、高精度移动。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的压电式位移装置整体结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的基体与部分第一限位组件结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的第一位移台与部分限位组件结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的第二位移台与部分第二限位组件结构示意图。

其中：10、压电式位移装置；100、基体；200、第一位移台；210、第一基板；220、第一压电堆垛；300、第一限位组件；310、堆叠压紧块；320、第一底部垫片；330、顶部垫片；340、侧向压紧块；350、侧向圆球；360、侧向垫片；370、第一固定结构；400、第二位移台；410、第二基板；420、第二压电堆垛；500、第二限位组件；570、第二固定结构；600、安装位；700、引线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。下面对具体实施方式的描述仅仅是示范性的，应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。相反，当元件被称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

原子力显微镜(Atomic Force Microscope)是纳米科技领域的重要测量、表征和操纵工具。其中需要多个小型位移台来实现探针和光电位置转换器PSD(PositionSensitive Detector)的粗动。对于真空系统AFM而言，该位移台通常使用压电元件制作。高精度、高直线性、高可重复性的探针和光电位置转换器位移是保证原子力显微镜对样品准确检测的前提。本发明提供一种压电式位移装置，能够满足原子力显微镜中探针和光电位置转换器位移驱动的要求。可以理解的，本发明提供的压电式位移装置还能够应用在其它需要实现高精度、高直线性、高可重复性位移的工况中。以下仅以压电式位移装置在原子力显微镜中的应用来举例说明本发明提供的压电式位移装置的结构和工作过程。

如图1-3所示，本发明一实施例提供一种压电式位移装置10，包括基体100、第一位移台200和第一限位组件300。基体100是整个压电式位移装置10的支撑结构，具体可以是基板、基座、支撑架等各种能够实现压电式位移装置10整体安装的结构。第一位移台200沿第一方向活动设置于基体100，第一位移台200通入交流电时能够沿第一方向运动，进而带动探针或光电位置转换器移动。第一限位组件300设置于基体100和第一位移台200之间，第一限位组件300沿与第一方向垂直的方向压紧第一位移台200，第一限位组件300用于保持第一位移台200沿第一方向运动。第一限位组件300与第一位移台200之间的压紧力其实是第一限位组件300对第一位移台200施加的预紧力，可以理解的，在预紧力作用下形成的摩擦力满足二者既不会自由移动，也能在第一位移台200施加交流电时产生第一位移台200相对于基体100沿第一方向的运动。

上述压电式位移装置10，第一位移台200能够相对于所述基体100沿第一方向移动，并且通过第一限位组件300对第一位移台200沿与第一方向垂直的方向压紧第一位移台200，第一限位组件300避免了第一位移台200在正常运动过程中产生其他方向的运动，进而实现了第一位移台200带动探针或光电位置转换器的高精度、高直线性、高可重复性的位移,有效避免了第一位移台200运动过程中发生扭转等影响精度的现象。

如图2-3所示，作为一种可实现的方式，第一位移台200沿堆叠方向堆叠设置于基体100，堆叠方向垂直于第一方向。第一位移台200包括第一基板210和第一压电堆垛220，第一基板210与基体100沿堆叠方向间隔设置，第一压电堆垛220设置于第一基板210靠近基体100的一侧面，第一压电堆垛220远离第一基板210的一端沿第一方向滑动设置于基体100，所述第一压电堆垛220通入交流电时能够带动所述第一基板210沿所述第一方向运动。上述实施例提供的压电式位移装置10能够带动探针或光电位置传感器进行单个维度的运动。可以理解的，依照本实施例提供的设计思路，还可以进一步实现压电式位移装置10带动探针或光电位置传感器进行两个甚至多个维度的运动。可以理解的，本实施例并不限制第一位移台200与基体100之间的移动形式，只要能够实现第一位移台200相对于基体100沿第一方向的移动即可。在本发明其他的实施例中，第一位移台200与基体100之间还可以是摩擦滚动等其他的形式。以下各实施例以第一位移台200与基体100之间以滑动的方式发生相对位移为例进行说明。

如图1以及图3-4所示，在本发明一实施例中，压电式位移装置10还包括第二位移台400和第二限位组件500。第二位移台400沿第二方向活动设置于第一位移台200，第二方向与第一方向呈设定角度，所述第二位移台400运动时能够带动探针或光电位置转换器移动。第二限位组件500设置于第二位移台400和第一位移台200之间，第二限位组件500沿与第二方向垂直的方向压紧第二位移台400，第二限位组件500用于保持第二位移台400沿第二方向运动。作为一种可实现的方式，第二位移台400包括第二基板410和第二压电堆垛420，第二基板410与第一基板210沿堆叠方向间隔设置，第二压电堆垛420设置于第二基板410靠近第一基板210的一侧面，第二压电堆垛420远离第二基板410的一端沿第二方向滑动设置于第一基板210背离第一压电堆垛220的一侧，第二压电堆垛420通入交流电时能够带动所述第二基板410沿所述第二方向运动。进一步压电式位移装置10还包括安装位600，安装位600设置于第二位移台400背离第一位移台200的一侧，安装位600用于安装探针或光电位置转换器。

上述实施例中在第一位移台200的基础上增加第二位移台400，当第一位移台200相对于基体100沿第一方向运动时，能够同时带动第二位移台400以及第二位移台400上的探针或光电位置传感器进行沿第一方向移动；当第二位移台400相对于第一位移台200沿第二方向移动时能够带动探针或光电位置传感器进行沿第二方向移动，进而实现探针或光电位置传感器在两个方向的位移。如图1所示，更进一步的，第二方向与第一方向垂直。上述实施例中的压电式位移装置10使用两层安装有单方向压电堆垛的位移台堆叠，并添加相应的限位组件以实现高精度、高可重复性的两轴位移，保证了位移台运动的直线度和可靠性，有效避免了运动过程中发生扭转等影响精度的现象。在具体的应用中，可以使第一方向对应空间坐标系中的Y轴，使第二方向对应空间坐标系中的X轴。可以理解的，第一方向和第二方向在其它的实施例中呈其他角度关系，比如第二方向与第一方向的夹角为30°、60°120°或者150°等。

在空间位置关系中，当第一位移台200沿第一方向运动时，与第一方向垂直的方向还存在两个，避免第一位移台200在除第一方向之外的另外两个方向上产生运动，是保证第一位移台200沿第一方向发生高精度、高直线性、高可重复性位移的前提。如图1-3所示，在本发明一实施例中，第一限位组件300包括第一限位结构和第二限位结构，第一限位结构和第二限位结构分别设置于基体100和第一位移台200之间。在空间坐标系中，第一限位结构和第二限位结构分别沿与第一方向垂直的两个方向压紧第一位移台200。可以理解的，第一限位结构和第二限位结构在功能上是相互独立的，但其在具体结构上可以是相互独立的或者具有关联的位置、连接关系，甚至可以是一个较复杂的结构同时具有第一限位结构和第二限位结构的功能。以下各实施例分别介绍第一限位结构和第二限位结构及其对第一位移台200的限位功能。

如图1-3所示，在本发明一实施例中，第一位移台200沿堆叠方向堆叠设置于基体100，堆叠方向垂直于第一方向。第一限位结构包括堆叠压紧块310，堆叠压紧块310设置于基体100，堆叠压紧块310压紧第一位移台200沿堆叠方向远离基体100的一侧，堆叠压紧块310和基体100夹紧第一位移台200。可以理解的，基体100、第一位移台200以及堆叠压紧块310之间的预紧力应当既能够保证第一位移台200不会发生自由移动，同时在第一位移台200中的第一压电堆垛220通入交流电后能够实现第一位移台200沿第一方向的移动。进一步，第一限位结构还包括底部摩擦副和顶部摩擦副，底部摩擦副设置于第一位移台200和基体100之间，顶部摩擦副设置于第一位移台200和堆叠压紧块310之间。底部摩擦副和顶部摩擦副能够有效降低第一位移台200与基体100之间的摩擦力。具体的，底部摩擦副设置于第一压电堆垛220和基体100之间，顶部摩擦副设置于第一基板210背离第一压电堆垛220的一侧和堆叠压紧块310之间。

在实际的工况中，只要能实现第一位移台200与基体100及堆叠压紧块310之间摩擦力降低的材质和结构均可作为底部摩擦副或者顶部摩擦副。如图1-3所示，在本发明一实施例中，底部摩擦副包括第一底部垫片320和第二底部垫片(图中未示出)，第一底部垫片320和第二底部垫片分别设置于基体100和第一压电堆垛220，第一底部垫片320和第二底部垫片相互贴合，第一底部垫片320沿第一方向延伸。第一位移台200相对于基体100沿第一方向滑动时，第二底部垫片相对于第一底部垫片320沿第一方向滑动。第一底部垫片320和/或第二底部垫片的材质包括蓝宝石。蓝宝石材质的底部垫片能够同时起到绝缘和降低摩擦的作用。在本发明其他的实施例中，还可以采用其他宝石或者金刚石等材质的底部垫片，亦或者底部摩擦副采用除面-面接触外的其他滑动接触类型(比如点-面接触或者球-面接触)的结构。

如图1-3所示，在本发明一实施例中，顶部摩擦副包括顶部圆球(图中未示出)和顶部垫片330，顶部圆球设置于堆叠压紧块310，顶部垫片330设置于第一基板210背离第一压电堆垛220的一侧，顶部圆球沿堆叠方向压紧顶部垫片330，顶部垫片330沿第一方向延伸，第一位移台200相对于基体100沿第一方向滑动时，顶部垫片330相对于顶部圆球沿第一方向滑动。顶部圆球和/或顶部垫片330的材质包括蓝宝石。顶部摩擦副的其他类型的材质和具体结构设计同底部摩擦副相同。可以理解的，在本实施例中，也可将顶部圆球设置在第一基板210背离第一压电堆垛220的一侧，而将顶部垫片330设置在堆叠压紧块310上。进一步的，第一限位结构还包括顶部弹性件，顶部弹性件设置于堆叠压紧块310和顶部圆球之间，顶部弹性件沿堆叠方向抵推顶部圆球，进而顶部圆球压紧顶部垫片330。顶部弹性件的刚度较小，使用顶部弹性件既能够保证顶部圆球与顶部垫片330之间的抵接，又能够保持施加给第一位移台200的预紧力在设定范围内并且容易调节。

如图1-3所示，在本发明一实施例中，第一限位组件300包括两个第一限位结构，两个第一限位结构沿滑动侧向间隔设置，两个第一限位结构分别沿堆叠方向压紧第一基板210沿滑动侧向的两端；第一限位组件300还包括两个第一固定结构370，两个第一固定结构370沿滑动侧向间隔、相对设置于基体100，堆叠压紧块310和侧向压紧块340分别可拆卸的设置于第一固定结构370。作为一种可实现的方式，第一固定结构370采用固定块的形式，堆叠压紧块310以螺纹连接的方式可拆卸的设置于第一固定结构370。第一固定结构370能够将堆叠压紧块310支离基体100，进而允许堆叠压紧块310压紧第一基板210。在本发明其他的实施例中，堆叠压紧块310可直接安装在基体100上。

如图1-3所示，在本发明一实施例中，第一位移台200包括第一基板210和第一压电堆垛220，第一基板210与基体100沿堆叠方向间隔设置，第一压电堆垛220设置于第一基板210靠近基体100的一侧面，第一压电堆垛220远离第一基板210的一端沿第一方向滑动设置于基体100。第二限位结构包括一对侧向压紧块340，一对侧向压紧块340沿滑动侧向间隔、相对设置于基体100，滑动侧向分别垂直于第一方向以及堆叠方向，一对侧向压紧块340沿滑动侧向分别压紧第一基板210的两端。一对侧向压紧块340能够分别沿滑动侧向压紧第一基板210的两端，避免了第一基板210在滑动侧向上的位移，进一步保证第一位移台200移动过程的高精度、高线性以及高重复性。可以理解的，堆叠压紧块310和侧向压紧块340分别沿堆叠方向和滑动侧向压紧第一基板210，对第一基板210沿第一方向的滑动起到了导向的作用。进一步，第二限位结构还包括至少两组侧向摩擦副，至少两组侧向摩擦副分别设置于两个侧向压紧块340与第一基板210之间。侧向摩擦副能够明显降低第一位移台200与侧向压紧块340之间的摩擦力。当第一位移台200滑动的第一方向和第二位移台400滑动的第二方向垂直时，本实施例中的滑动侧向与第二方向相同。

在实际的工况中，只要能实现第一基板210与侧向压紧块340之间摩擦力降低的材质和结构均可作为侧向摩擦副。如图2-3所示，在本发明一实施例中，两组侧向摩擦副分别包括侧向圆球350和侧向垫片360，两个侧向圆球350分别设置于两个侧向压紧块340，两个侧向垫片360分别设置于第一基板210沿滑动侧向的两端。两个侧向圆球350沿滑动侧向分别压紧对应的侧向垫片360，两个侧向垫片360分别沿第一方向延伸，第一位移台200相对于基体100沿第一方向滑动时，两个侧向垫片360分别相对于对应的侧向圆球350沿第一方向滑动。侧向圆球350和/或侧向垫片360的材质包括蓝宝石。侧向摩擦副的其他类型的材质和具体结构设计同顶部摩擦副相同。可以理解的，在本实施例中，也可将侧向圆球350设置在第一基板210沿滑动侧向的两端，而将侧向垫片360设置在侧向压紧块340上。作为一种可实现的方式，侧向圆球350与顶部圆球的结构相同。

进一步的，第二限位结构还包括至少两个侧向弹性件，每个侧向弹性件分别设置于一个侧向压紧块340和侧向圆球350之间，侧向弹性件沿滑动侧向抵推侧向圆球350，进而侧向圆球350压紧侧向垫片360。侧向弹性件的刚度较小，使用侧向弹性件既能够保证侧向圆球350与侧向垫片360之间的抵接，又能够保持施加给第一位移台200的预紧力在设定范围内并且容易调节。可选的，顶部弹性件和侧向弹性件分别为弹簧、橡胶等中的一种。可以理解的，侧向圆球350和顶部圆球中的圆球指示描述其对应垫片接触的部分为球状，侧向圆球350整体和顶部圆球整体可以是球状、半球状或者其他平滑形状。

在本发明一实施例中，如图2-3所示，第二限位结构包括多对侧向压紧块340，多对侧向压紧块340沿第一方向间隔设置，每对侧向压紧块340沿滑动侧向间隔、相对设置于基体100，每对侧向压紧块340沿滑动侧向分别压紧第一基板210的两端。多对侧向压紧块340能够保证第一基板210沿第一方向滑动时的运动稳定性。进一步，多个侧向压紧块340分别可拆卸的设置于对应的第一固定结构370。作为一种可实现的方式，在第一基板210沿滑动侧向的两端分别设置一个固定块结构类型的第一固定结构370，每个第一固定结构370上分别沿第一方向固定两个侧向压紧块340，进而形成两对侧向压紧块340。并且在每个第一固定结构370上分别固定一个顶部压紧块，两个顶部压紧块与基体100配合分别压紧第一基板210的两侧，能够更加均匀的压紧第一基板210。

在本发明一实施例中，如图1，基体100、第一位移台200以及第二位移台400沿设定的方向顺次堆叠，并且堆叠的方向、第一方向以及第二方向之间两两垂直。上述第一位移台200与基体100之间的位置关系、以及通过第一限位组件300而形成的连接关系，同样可以适用于第二位移台400与第一位移台200之间的位置关系以及连接关系，只是第二位移台400相对于第一位移台200滑动的方向垂直于第一位移台200相对于基体100滑动的方向。如图1及图3-4所示，作为一种可实现的方式，第二位移台400与第一位移台200结构相同，第二位移台400设置于第一位移台200的方式与第一位移台200设置于基体100的方式相同，第二限位组件500和第一限位组件300结构相同或者相似，第一限位组件300只要做出适应性的修改即可作为第二限位组件500保持第二位移台400相对于第一位移台200沿第二方向滑动。当然，第二位移台400的尺寸与第一位移台200的尺寸相比可以略小或者相同。

如图1所示，在本发明一个具体的实施例中，压电式位移装置10包括基体100、第一位移台200和第二位移台400、第一限位组件300、第二限位组件500和安装位600，安装位600设置于第二位移台400。第一限位组件300和第二限位组件500分别用于保证第一位移台200和第二位移台400运动的直线度和可靠性。

如图2-4所示，第一位移台200上的第一压电堆垛220底部黏贴有第二底部垫片(图中未示出)，与粘贴在基体100上的第一底部垫片320相贴合。第二位移台400上的第二压电堆垛420底部也黏贴有第二底部垫片(图中未示出)，与粘贴在第一基板210上的第一底部垫片320相贴合。第一限位组件300中的堆叠压紧块310分别通过弹簧对相应的顶部圆球施加一定的压力，顶部圆球与水平黏贴在第一基板210上的顶部垫片330相接触并施加一定的压力；第二限位组件500中的堆叠压紧块310分别通过弹簧对相应的顶部圆球施加一定的压力，顶部圆球与水平黏贴在第二基板410上的顶部垫片330相接触并施加一定的压力；进而保证第一位移台200与基体100之间以及第二位移台400与第一位移台200之间形成一定的摩擦力，使得第一位移台200和第二位移台400既不会自由移动，也能在第一压电堆垛220和第二压电堆垛420施加交流电时产生相应方向的运动。

第一位移台200沿第一方向运动的精确度由安装在第一固定结构370上的侧向压紧块340保证，并且侧向压紧块340通过弹簧向对应的侧向圆球350施加一定的压力，侧向圆球350分别与竖直安装在第一基板210两端的侧向垫片360相接触并施加一定的压力；在第一位移台200运动方向的两侧各设置两个上述侧向压紧块340，并且两侧的侧向压紧块340相对于第一位移台200运动的第一方向对称，进而两侧的侧向压紧块340对第一基板210施加垂直于第一方向的、一对方向相反、大小相同的力，最终可以保证第一位移台200的运动精度。第二位移台400沿第二方向运动的精确度由安装在第二固定结构570上的侧向压紧块340保证，并且侧向压紧块340通过弹簧向对应的侧向圆球350施加一定的压力，侧向圆球350分别与竖直安装在第二基板410两端的侧向垫片360相接触并施加一定的压力；在第二位移台400运动方向的两侧各设置两个上述侧向压紧块340，并且两侧的侧向压紧块340相对于第二位移台400运动的第二方向对称，进而两侧的侧向压紧块340对第二基板410施加垂直于第二方向的、一对方向相反、大小相同的力，最终可以保证第二位移台400的运动精度。

本发明还提供一种原子力显微镜，包括上述各实施例任一项所记述的压电式位移装置10。进一步，原子力显微镜还包括探针或光电位置转换器，探针或光电位置转换器设置于压电式位移装置10，探针或光电位置转换器在压电式位移装置10的带动下进行位置的移动。具体的，探针或光电位置转换器安装在第二基板410上的安装位600，探针或光电位置转换器通过引线700与其他设备电连接。以及在基体100上开设多个螺纹连接孔，用于将整个压电式位移装置10安装在原子力显微镜内。

上述原子力显微镜，第一位移台200能够相对于所述基体100沿第一方向移动，并且通过第一限位组件300对第一位移台200沿与第一方向垂直的方向压紧第一位移台200，第一限位组件300避免了第一位移台200在正常运动过程中产生其他方向的运动，进而实现了第一位移台200带动探针或光电位置转换器的高精度、高直线性、高可重复性的位移,有效避免了第一位移台200运动过程中发生扭转等影响精度的现象。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种压电式位移装置，其特征在于，包括：

基体；

第一位移台，沿第一方向活动设置于所述基体，所述第一位移台通入交流电时能够沿所述第一方向运动，进而带动探针或光电位置转换器移动；

第一限位组件，所述第一限位组件包括第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构和所述第二限位结构分别设置于所述基体和所述第一位移台之间；在空间坐标系中，所述第一限位结构和所述第二限位结构分别沿与所述第一方向垂直的两个方向压紧所述第一位移台，所述第一限位组件用于保持所述第一位移台沿所述第一方向运动。

2.根据权利要求1所述的压电式位移装置，其特征在于，所述第一位移台沿堆叠方向堆叠设置于所述基体，所述堆叠方向垂直于所述第一方向；所述第一限位结构包括堆叠压紧块，所述堆叠压紧块设置于所述基体，所述堆叠压紧块压紧所述第一位移台沿所述堆叠方向远离所述基体的一侧，所述堆叠压紧块和所述基体夹紧所述第一位移台。

3.根据权利要求2所述的压电式位移装置，其特征在于，所述第一限位结构还包括底部摩擦副和顶部摩擦副，所述底部摩擦副设置于所述第一位移台和所述基体之间，所述顶部摩擦副设置于所述第一位移台和所述堆叠压紧块之间；所述第一位移台包括第一基板和第一压电堆垛，所述第一基板与所述基体沿所述堆叠方向间隔设置，所述第一压电堆垛设置于所述第一基板靠近所述基体的一侧面，所述第一压电堆垛远离所述第一基板的一端沿所述第一方向滑动设置于所述基体，所述第一压电堆垛通入交流电时能够带动所述第一基板沿所述第一方向运动；所述底部摩擦副设置于所述第一压电堆垛和所述基体之间，所述顶部摩擦副设置于所述第一基板背离所述第一压电堆垛的一侧和所述堆叠压紧块之间。

4.根据权利要求3所述的压电式位移装置，其特征在于，所述底部摩擦副包括第一底部垫片和第二底部垫片，所述第一底部垫片和所述第二底部垫片分别设置于所述基体和所述第一压电堆垛，所述第一底部垫片和所述第二底部垫片相互贴合，所述第一底部垫片沿所述第一方向延伸；所述第一位移台相对于所述基体沿所述第一方向滑动时，所述第二底部垫片相对于所述第一底部垫片沿所述第一方向滑动；所述第一底部垫片和/或所述第二底部垫片的材质包括蓝宝石；所述顶部摩擦副包括顶部圆球和顶部垫片，所述顶部圆球设置于所述堆叠压紧块，所述顶部垫片设置于所述第一基板背离所述第一压电堆垛的一侧，所述顶部圆球沿所述堆叠方向压紧所述顶部垫片，所述顶部垫片沿所述第一方向延伸，所述第一位移台相对于所述基体沿所述第一方向滑动时，所述顶部垫片相对于所述顶部圆球沿所述第一方向滑动；所述顶部圆球和/或所述顶部垫片的材质包括蓝宝石。

5.根据权利要求4所述的压电式位移装置，其特征在于，所述第一限位结构还包括顶部弹性件，所述顶部弹性件设置于所述堆叠压紧块和所述顶部圆球之间，所述顶部弹性件沿所述堆叠方向抵推所述顶部圆球，进而所述顶部圆球压紧所述顶部垫片。

6.根据权利要求2所述的压电式位移装置，其特征在于，所述第一位移台包括第一基板和第一压电堆垛，所述第一基板与所述基体沿所述堆叠方向间隔设置，所述第一压电堆垛设置于所述第一基板靠近所述基体的一侧面，所述第一压电堆垛远离所述第一基板的一端沿所述第一方向滑动设置于所述基体；所述第二限位结构包括一对侧向压紧块，一对所述侧向压紧块沿滑动侧向间隔、相对设置于所述基体，所述滑动侧向分别垂直于所述第一方向以及所述堆叠方向，一对所述侧向压紧块沿所述滑动侧向分别压紧所述第一基板的两端；所述第二限位结构还包括至少两组侧向摩擦副，至少两组所述侧向摩擦副分别设置于两个所述侧向压紧块与所述第一基板之间。

7.根据权利要求6所述的压电式位移装置，其特征在于，两组所述侧向摩擦副分别包括侧向圆球和侧向垫片，两个所述侧向圆球分别设置于两个所述侧向压紧块，两个所述侧向垫片分别设置于所述第一基板沿滑动侧向的两端；两个所述侧向圆球沿所述滑动侧向分别压紧对应的所述侧向垫片，两个所述侧向垫片分别沿所述第一方向延伸，所述第一位移台相对于所述基体沿所述第一方向滑动时，两个所述侧向垫片分别相对于对应的所述侧向圆球沿所述第一方向滑动；所述侧向圆球和/或所述侧向垫片的材质包括蓝宝石；所述第二限位结构还包括至少两个侧向弹性件，每个所述侧向弹性件分别设置于一个所述侧向压紧块和所述侧向圆球之间，所述侧向弹性件沿所述滑动侧向抵推所述侧向圆球，进而所述侧向圆球压紧所述侧向垫片。

8.根据权利要求6所述的压电式位移装置，其特征在于，所述第二限位结构包括多组侧向压紧组件，多组所述侧向压紧组件沿所述第一方向间隔设置，每组所述侧向压紧组件包括一对所述侧向压紧块，每对所述侧向压紧块沿滑动侧向间隔、相对设置于所述基体，每对所述侧向压紧块沿所述滑动侧向分别压紧所述第一基板的两端。

9.根据权利要求6所述的压电式位移装置，其特征在于，所述第一限位组件包括两个所述第一限位结构，两个所述第一限位结构沿所述滑动侧向间隔设置，两个所述第一限位结构分别沿所述堆叠方向压紧所述第一基板沿滑动侧向的两端；所述第一限位组件还包括两个第一固定结构，两个所述第一固定结构沿所述滑动侧向间隔、相对设置于所述基体，所述堆叠压紧块和所述侧向压紧块分别可拆卸的设置于所述第一固定结构。

10.根据权利要求1-9任一项所述压电式位移装置，其特征在于，所述压电式位移装置还包括第二位移台和第二限位组件；所述第二位移台沿第二方向活动设置于所述第一位移台，所述第二方向与所述第一方向呈设定角度，所述第二位移台运动时能够带动探针或光电位置转换器移动；第二限位组件设置于所述第二位移台和所述第一位移台之间，所述第二限位组件沿与所述第二方向垂直的方向压紧所述第二位移台，所述第二限位组件用于保持所述第二位移台沿所述第二方向运动。

11.根据权利要求10所述压电式位移装置，其特征在于，所述基体、所述第一位移台以及所述第二位移台沿设定的方向顺次堆叠，并且堆叠的方向、所述第一方向以及所述第二方向之间两两垂直；所述第二位移台设置于所述第一位移台的方式与所述第一位移台设置于所述基体的方式相同，所述第二限位组件和所述第一限位组件结构相同。

12.根据权利要求10所述的压电式位移装置，其特征在于，所述压电式位移装置还包括安装位，所述安装位设置于所述第二位移台背离所述第一位移台的一侧，所述安装位用于安装探针或光电位置转换器。

13.一种原子力显微镜，其特征在于，包括权利要求1-12任一项所述的压电式位移装置。

14.根据权利要求13所述的原子力显微镜，其特征在于，所述原子力显微镜还包括探针或光电位置转换器，所述探针或所述光电位置转换器设置于所述压电式位移装置，所述探针或所述光电位置转换器在所述压电式位移装置的带动下进行位置的移动。

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