CN115411968A - 双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

一种双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜，属于压电定位器技术领域，解决如何设计一种低温强磁场中的扫描探针显微镜使用的双压电管并排惯性驱动的旋转马达；通过第一压电管或第二压电管做切向的惯性运动或轴向的惯性运动，带动转盘与压臂之间相对运动，从而带动转轴与转盘共轴旋转；本发明的结构紧凑，两根压电管竖立使用，减少了整个马达径向的尺寸，有利于马达在低温，强磁场的狭窄等空间的使用，压电管的控制方式简单可靠，具有极广泛的适用性；利用了压电管的轴向形变，减小了转动过程中的摩擦力，从而能产生更大的推力；整体采用无磁性设计，可以实现在磁场中任意角度旋转扫描探针显微镜。

Description

双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜

技术领域

本发明属于压电定位器技术领域，涉及一种双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜。

背景技术

在外电场作用下，压电材料会在一定方向上产生机械形变或机械应力，当外电场反向时，此形变或应力也随之反向，这种效应称为逆压电效应。研究发现，压电陶瓷材料在电压下产生的位移非常精细，在微纳米量级，且振动或伸缩的幅值很微小，因此压电陶瓷材料具有较高的定位精度。然而，直接利用压电陶瓷材料的逆压电效应产生的形变量处于微纳米量级，所以难以在宏观上进行较大范围的移动。利用压电陶瓷材料制成的压电马达(PM)，通过重复形变可以产生宏观可见的位移，从而能够同时实现较高的定位精度和较大的移动范围。压电马达按运动方式可分为直线型和旋转型压电马达。目前，压电马达已广泛应用于精密机械、纳米器件加工、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像等领域。同时，压电马达作为一种新型的压电步进器，正逐步朝着小尺寸、大推力、高紧凑和高定位精度以及抗恶劣条件的方向发展，并取到了显著地进步。例如，应用在尖端测量仪器(如扫描探针显微镜)中的压电马达，自1972年诞生的尺蠖马达(Inchworm)，到1993年出现并被广泛应用的潘氏马达(Pan-style PM)，再到2009年和2013年的适用于大温度范围抗恶劣条件的强推力新型压电马达(专利申请号为201210260297.6)，逐步发展到2014年提出的推力更大、抗更恶劣条件、工作温区更大、更精密定位的叠堆型压电马达(专利申请号为201410127166.X)。

然而现今的前沿科学研究除了需要定位器具有小尺寸、大驱动、纳米级定位精度、抗恶劣条件的特点外，还需要满足在空间受限的管状极端条件(包括强磁场、极低温等)中对尖端测量仪器(如扫描探针显微镜等)旋转的需求，即实现样品相对于磁场方向做任意角度的旋转。比如，德国Attocube公司(Attocube Systems AG)利用独有的技术，设计和制造出了各种纳米精度位移器，包括360°旋转位移器(ANR系列产品)和倾角位移器(ANG系列产品)等，能在极低温、高磁场等环境中提供原子级的精度和厘米级的移动范围。但是该公司旋转系列的产品输出驱动力小，因此无法带动显微镜进行旋转运动，极大地限制了其在管状极端条件中的应用。

又如最近提出的一种口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达及控制法(专利申请号为201810046568.5)，其技术特征为：包括四个相同的条形压电体、四个条形片、底座以及转子，其特征是所述四个条形压电体各以一端作为固定端固定在底座上，组成口字形，各条形压电体余下的一端为自由端；四个条形片分别固定在所述四个条形压电体的自由端；在垂直于四个条形压电体形变方向上设置将条形片与转子相压的正压力，所述条形片通过条形片弹性和/或底座弹性和/或转子弹性和/或增设于条形压电体与条形片之间的弹性体的弹性，与转子弹性相压，所述设置在条形片与转子之间的四个正压力对转子的最大静摩擦力大小相等，这种对称结构更有利于马达的驱动控制，能给出最大推力。但是该旋转压电马达的几个重要缺点是：1)由四个相同的条形压电体组成的口字形结构，压电结构的电容大，电容大导致其频率受限，无法快速运动，启动电压高，该结构所占空间也较大，这特别影响其在强磁场、强电场、变温变压等管状极端条件与恶劣条件下的应用；2)四个压电体的控制比较繁琐，不利于使用者操作。

综上所述：1)现有的压电旋转马达绝大多数为压电体结构，电容大，无法快速运动，启动电压高；2)现有压电马达普遍输出力矩小，输出力矩大的马达尺寸又比较大，无法在尺寸受限的管状条件下(强磁场，低温环境下)实现对尖端测量仪器的旋转需求；3)现有压电马达控制繁琐，结构复杂，不适合广泛的应用。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于如何设计一种低温强磁场中的扫描探针显微镜使用的双压电管并排惯性驱动的旋转马达。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

双压电管并排惯性驱动的旋转马达，包括：基座(1)、第一压电管(2)、第二压电管(3)、转盘(4)、转轴(5)、转盘夹持架(6)、压臂(8)、压臂固定架(9)；第一压电管(2)与第二压电管(3)的一端并排固定在基座(1)上，第一压电管(2)与第二压电管(3)的另一端为自由端；转盘夹持架(6)的上部同轴固定在第一压电管(2)的自由端，转盘夹持架(6)的下部将转盘(4)与转轴(5)夹持在第一压电管(2)的内部，转盘(4)带动转轴(5)共轴旋转，转盘(4)的外缘与压臂(8)相抵，压臂(8)竖直插在第二压电管(3)内部，压臂(8)的一端与压臂固定架(9)固定连接，压臂(8)的另一端活动插在基座(1)中，压臂固定架(9)固定在第二压电管(3)的自由端。

本发明的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，通过第一压电管(2)或第二压电管(3)做切向的惯性运动或轴向的惯性运动，带动转盘(4)与压臂(8)之间相对运动，从而带动转轴(5)与转盘(4)共轴旋转；本发明的结构紧凑，两根压电管竖立使用，减少了整个马达径向的尺寸，有利于马达在低温，强磁场的狭窄等空间的使用，压电管的控制方式简单可靠，具有极广泛的适用性；利用了压电管的轴向形变，能产生更大的推力；由压电效应产生驱动力，具有纳米级的定位精度；采用压电管结构，压电管结构的电容相比于压电片与压电堆栈来说更小，能快速运动，启动电压低；整体采用无磁性设计，可以实现在磁场中任意角度旋转扫描探针显微镜，可旋转的扫描探针显微镜在极端条件下的物理微观探测领域具有极大的意义；两根压电管的切向的惯性运动或轴向的惯性运动模式可以互换，增加了马达在使用时的灵活性。

进一步地，所述的第一压电管(2)的左右两侧、从自由端开始向下对称地开设有两条第一矩形裂缝(21)，第一矩形裂缝(21)的长度大于转盘(4)的直径且小于第一压电管(2)的长度，第一压电管(2)的前后侧对称地开设有安装孔(22)。

进一步地，所述的第二压电管(3)的左侧、从自由端开始向下开设有一条第二矩形裂缝(31)，第二矩形裂缝(31)的长度大于转盘(4)的直径且小于第二压电管(3)的长度。

进一步地，所述的转盘(4)的外缘穿过第二压电管(3)左侧的第二矩形裂缝(31)与压臂(8)垂直相抵。

进一步地，还包括：第一底座(7)、第二底座(10)；所述的第一压电管(2)的一端固定在第一底座(7)上，第一底座(7)固定在基座(1)上，所述的第二压电管(3)的一端固定在第二底座(10)上，第二底座(10)固定在基座(1)上。

进一步地，还包括：圆台盖(11)，所述的压臂(8)的上端穿过圆台盖(11)后与压臂固定架(9)固定连接，压臂固定架(9)固定在圆台盖(11)上，圆台盖(11)固定在第二压电管(3)的自由端，压臂(8)的下端插在第二底座(10)的中心孔中。

进一步地，所述的转盘夹持架(6)的上部为圆柱盖(61)、下部为圆筒体(62)，圆柱盖(61)与圆筒体(62)固定连接成一体，所述的圆筒体(62)的左右侧开设有安装转盘(4)的开口(65)，圆筒体(62)的前后侧开设有安装转轴(5)的前孔(63)和后孔(64)；所述的转盘夹持架(6)的下部圆筒体(62)插入到第一压电管(2)中，所述的第一压电管(2)的自由端与圆柱盖(61)固定连接。

进一步地，所述的圆筒体(62)上开设的前孔(63)和后孔(64)的中心线与第一压电管(2)上开设的安装孔(22)的中心线重合，圆筒体(62)上开设的开口(65)与第一压电管(2)上开设的第一矩形裂缝(21)对齐，转盘(4)穿过第一矩形裂缝(21)以及开口(65)插入圆筒体(62)中，转轴(5)穿过安装孔(22)、前孔(63)、后孔(64)将转盘(4)限定在圆筒体(62)上。

进一步地，所述的第一压电管(2)以及第二压电管(3)的外电极为两电极分割或者四电极分割，所述的前孔(63)和后孔(64)均位于位于电极分割线上。

一种基于所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的旋转扫描探针显微镜，所述的扫描探针显微镜的镜体与转轴(5)固定连接。

本发明的优点在于：

1)本发明的结构紧凑，第一压电管(2)、第二压电管(3)两根压电管竖立使用，减少了整个马达径向的尺寸，有利于马达在低温，强磁场的狭窄等空间的使用，压电管的控制方式简单可靠，具有极广泛的适用性；

2)利用了压电管的轴向形变，能产生更大的推力；

3)由压电效应产生驱动力，具有纳米级的定位精度；

4)采用压电管结构，压电管结构的电容相比于压电片与压电堆栈来说更小，能快速运动，启动电压低；

5)整体采用无磁性设计，可以实现在磁场中任意角度旋转扫描探针显微镜，可旋转的扫描探针显微镜在极端条件下的物理微观探测领域具有极大的意义；

6)两根压电管的切向的惯性运动或轴向的惯性运动模式可以互换，增加了马达在使用时的灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的主视图；

图2是本发明实施例的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的前视图；

图3是本发明实施例的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的第一压电管、第二压电管与其内部包含的零部件分离的爆炸图(不含基座)；

图4是本发明实施例的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的转盘夹持架的结构示意图；

图5是本发明实施例的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的转盘和转轴的结构示意图；

图6是本发明实施例的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的压臂和压臂固定架的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

为了便于描述，设立三维xyz坐标系，其中，x轴的正方向为前、y轴的正方向为右、z轴的正方向为上。

如图1至图3所示，一种双压电管并排惯性驱动的旋转马达，包括：基座1、第一压电管2、第二压电管3、转盘4、转轴5、转盘夹持架6、第一底座7、压臂8、压臂固定架9、第二底座10、圆台盖11。

如图1或图2所示，所述的第一压电管2与第二压电管3沿着y轴方向左右并排固定在基座1上；所述的第一压电管2的一端固定在第一底座7上，第一底座7固定在基座1上，第一压电管2的另一端为自由端；所述的第二压电管3的一端固定在第二底座10上，第二底座10固定在基座1上，第二压电管3的另一端为自由端。

如图3所示，在第一压电管2的左右两侧、从自由端开始向下对称地开设有两条第一矩形裂缝21，第一矩形裂缝21的长度大于转盘4的直径且小于第一压电管2的长度，第一压电管2的前后侧对称地开设有安装孔22；在第二压电管3的左侧、从自由端开始向下开设有一条第二矩形裂缝31，第二矩形裂缝31的长度大于转盘4的直径且小于第二压电管3的长度。

如图4所示为转盘夹持架6的结构，如图5所示为转盘4和转轴5的结构及其配合关系；如图4所示，所述的转盘夹持架6的上部为圆柱盖61、下部为圆筒体62，圆柱盖61与圆筒体62固定连接成一体，所述的圆筒体62的左右侧开设有安装转盘4的开口65，圆筒体62的前后侧开设有安装转轴5的前孔63和后孔64；所述的转盘夹持架6的下部圆筒体62插入到第一压电管2中，所述的第一压电管2的自由端与圆柱盖61固定连接，圆筒体62上开设的前孔63和后孔64的中心线与第一压电管2上开设的安装孔22的中心线重合，所述的第一压电管2以及第二压电管3的外电极为两电极分割或者四电极分割，所述的前孔63和后孔64位于位于电极分割线上；圆筒体62上开设的开口65与第一压电管2上开设的第一矩形裂缝21对齐，转盘4穿过第一矩形裂缝21以及开口65插入圆筒体62中，转轴5穿过安装孔22、前孔63、后孔64将转盘4限定在圆筒体62上，转盘4带动转轴5在yz平面内共轴旋转。

如图6所示为压臂8和压臂固定架9的结构，所述的压臂8采用弹簧片，如图3和图6所示，所述的弹簧片设置在第二压电管3的内部，弹簧片的上端穿过圆台盖11后与压臂固定架9固定连接，压臂固定架9固定在圆台盖11上，圆台盖11固定在第二压电管3的自由端，弹簧片的下端插在第二底座10的中心孔中；转盘4的外缘穿过第二压电管3左侧的第二矩形裂缝31与弹簧片的宽面弹性相抵，转盘4的yz平面垂直弹簧片的宽面；当第二压电管3的电极通电时，第二压电管3的自由端沿着z轴做轴向的惯性运动，从而带动弹簧片沿着z轴做轴向的惯性运动，弹簧片再带动转盘4做轴向的惯性运动，从而带动转盘4在yz平面内旋转运动。

双压电管并排惯性驱动的旋转马达的工作原理

一、只采用一个压电管驱动转盘4旋转的情形如下：

1、给第二压电管3外电极通电，控制第二压电管3做轴向的惯性运动

(1)第二压电管3的自由端先是缓慢地向上伸长，带动压臂8缓慢地向上运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内逆时针缓慢地转动，然后第二压电管3的自由端迅速向下收缩，带动压臂8迅速向下运动，从而带动转盘4在yz平面内顺时针快速转动。

(2)第二压电管3的自由端先是缓慢地向下收缩，带动压臂8缓慢地向下运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内顺时针缓慢地转动，然后第二压电管3的自由端迅速向上伸长，带动压臂8迅速向上运动，从而带动转盘4在yz平面内逆时针快速转动。

2、给第一压电管2外电极通电，控制第一压电管2做轴向的惯性运动

(1)第一压电管2的自由端先是缓慢地向上伸长，从而带动转盘4在yz平面内顺时针缓慢地转动，然后第一压电管2的自由端迅速向下收缩，带动转盘4迅速向下运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内逆时针快速转动。

(2)第一压电管2的自由端先是缓慢地向下收缩，从而带动转盘4在yz平面内逆时针缓慢地转动，然后第一压电管2的自由端迅速向上伸长，带动转盘4迅速向上运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内顺时针快速转动。

二、采用两个压电管配合使用驱动转盘4旋转的情形如下：

1、分别给第一压电管2和第二压电管3的外电极通电，控制第一压电管2做切向的惯性运动、第二压电管3做轴向的惯性运动

(1)第一压电管2的自由端先是缓慢地向右弯曲，从而带动转盘4缓慢地向右运动(运动距离微米级)，增加转盘4与压臂8的动态摩擦力，与此同时，第二压电管3的自由端先是缓慢地向上伸长，带动压臂8缓慢地向上运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内逆时针缓慢地转动；然后第二压电管3的自由端迅速向下收缩，带动压臂8迅速向下运动，从而带动转盘4在yz平面内顺时针快速转动，在转盘4顺时针快速转动后，第一压电管2的自由端立即迅速向左弯曲，从而带动转盘4快速向左运动，减小转盘4与压臂8的动态摩擦力。

(2)第一压电管2的自由端先是缓慢地向右弯曲，从而带动转盘4缓慢地向右运动(运动距离微米级)，增加转盘4与压臂8的动态摩擦力，与此同时，第二压电管3的自由端先是缓慢地向下缩短，带动压臂8缓慢地向下运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内顺时针缓慢地转动；然后第二压电管3的自由端迅速向上伸长，带动压臂8迅速向上运动，从而带动转盘4在yz平面内逆时针快速转动，在转盘4逆时针快速转动后，第一压电管2的自由端立即迅速向左弯曲，从而带动转盘4快速向左运动，减小转盘4与压臂8的动态摩擦力。

2、分别给第一压电管2和第二压电管3的外电极通电，控制第一压电管2做轴向的惯性运动、第二压电管3做切向的惯性运动

(1)第二压电管3的自由端先是缓慢地向左弯曲，从而带动压臂8缓慢地向左运动(运动距离微米级)，增加转盘4与压臂8的动态摩擦力，与此同时，第一压电管2的自由端先是缓慢地向上伸长，带动转盘4缓慢地向上运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内顺时针缓慢地转动；然后第一压电管2的自由端迅速向下收缩，带动转盘4迅速向下运动，从而带动转盘4在yz平面内逆时针快速转动，在转盘4逆时针快速转动后，第二压电管3的自由端立即迅速向右弯曲，从而带动压臂8快速向右运动，减小转盘4与压臂8的动态摩擦力。

(2)第二压电管3的自由端先是缓慢地向左弯曲，从而带动压臂8缓慢地向左运动(运动距离微米级)，增加转盘4与压臂8的动态摩擦力，与此同时，第一压电管2的自由端先是缓慢地向下缩短，带动转盘4缓慢地向下运动，由于转盘4与压臂8相抵，从而带动转盘4在yz平面内逆时针缓慢地转动；然后第一压电管2的自由端迅速向上伸长，带动转盘4迅速向上运动，从而带动转盘4在yz平面内顺时针快速转动，在转盘4顺时针快速转动后，第二压电管3的自由端立即迅速向右弯曲，从而带动压臂8快速向右运动，减小转盘4与压臂8的动态摩擦力。

实施例二

本实施例提供了一种扫描探针显微镜，本实施例的扫描探针显微镜是将扫描探针连接在实施例一的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的转轴5的端部，构成本实施例的压电式扫描探针显微镜，当转轴5转动时，带动扫描探针一起旋转。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，包括：基座(1)、第一压电管(2)、第二压电管(3)、转盘(4)、转轴(5)、转盘夹持架(6)、压臂(8)、压臂固定架(9)；第一压电管(2)与第二压电管(3)的一端并排固定在基座(1)上，第一压电管(2)与第二压电管(3)的另一端为自由端；转盘夹持架(6)的上部同轴固定在第一压电管(2)的自由端，转盘夹持架(6)的下部将转盘(4)与转轴(5)夹持在第一压电管(2)的内部，转盘(4)带动转轴(5)共轴旋转，转盘(4)的外缘与压臂(8)相抵，压臂(8)竖直插在第二压电管(3)内部，压臂(8)的一端与压臂固定架(9)固定连接，压臂(8)的另一端活动插在基座(1)中，压臂固定架(9)固定在第二压电管(3)的自由端。

2.根据权利要求1所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，所述的第一压电管(2)的左右两侧、从自由端开始向下对称地开设有两条第一矩形裂缝(21)，第一矩形裂缝(21)的长度大于转盘(4)的直径且小于第一压电管(2)的长度，第一压电管(2)的前后侧对称地开设有安装孔(22)。

3.根据权利要求2所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，所述的第二压电管(3)的左侧、从自由端开始向下开设有一条第二矩形裂缝(31)，第二矩形裂缝(31)的长度大于转盘(4)的直径且小于第二压电管(3)的长度。

4.根据权利要求3所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，所述的转盘(4)的外缘穿过第二压电管(3)左侧的第二矩形裂缝(31)与压臂(8)垂直相抵。

5.根据权利要求1所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，还包括：第一底座(7)、第二底座(10)；所述的第一压电管(2)的一端固定在第一底座(7)上，第一底座(7)固定在基座(1)上，所述的第二压电管(3)的一端固定在第二底座(10)上，第二底座(10)固定在基座(1)上。

6.根据权利要求5所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，还包括：圆台盖(11)，所述的压臂(8)的上端穿过圆台盖(11)后与压臂固定架(9)固定连接，压臂固定架(9)固定在圆台盖(11)上，圆台盖(11)固定在第二压电管(3)的自由端，压臂(8)的下端插在第二底座(10)的中心孔中。

7.根据权利要求1所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，所述的转盘夹持架(6)的上部为圆柱盖(61)、下部为圆筒体(62)，圆柱盖(61)与圆筒体(62)固定连接成一体，所述的圆筒体(62)的左右侧开设有安装转盘(4)的开口(65)，圆筒体(62)的前后侧开设有安装转轴(5)的前孔(63)和后孔(64)；所述的转盘夹持架(6)的下部圆筒体(62)插入到第一压电管(2)中，所述的第一压电管(2)的自由端与圆柱盖(61)固定连接。

8.根据权利要求7所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，所述的圆筒体(62)上开设的前孔(63)和后孔(64)的中心线与第一压电管(2)上开设的安装孔(22)的中心线重合，圆筒体(62)上开设的开口(65)与第一压电管(2)上开设的第一矩形裂缝(21)对齐，转盘(4)穿过第一矩形裂缝(21)以及开口(65)插入圆筒体(62)中，转轴(5)穿过安装孔(22)、前孔(63)、后孔(64)将转盘(4)限定在圆筒体(62)上。

9.根据权利要求8所述双压电管并排惯性驱动的旋转马达，其特征在于，所述的第一压电管(2)以及第二压电管(3)的外电极为两电极分割或者四电极分割，所述的前孔(63)和后孔(64)均位于位于电极分割线上。

10.一种基于权利要求1至9任一项所述的双压电管并排惯性驱动的旋转马达的旋转扫描探针显微镜，其特征在于，所述的扫描探针显微镜的镜体与转轴(5)固定连接。

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