CN116317677A - 三摩擦力自匹配的双压电体线性马达和扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，包括第一压电体、第二压电体、移动杆，第一压电体、第二压电体固定连接，第一压电体、第二压电体上均连接有支撑架，支撑架、第一压电体、第二压电体上设有用于支撑移动杆的摩擦支撑部；摩擦支撑部包括与第一压电体和或第二压电体连接的摩擦部、以及位于支撑架上的第一凸起、第二凸起，本申请的线性马达工作中作用在移动杆三处摩擦力自相等匹配,双压电体构成的二连压电杆驱动移动杆线性步进，结构易组装，维持工作在理想条件下，启动电压低；由于工作三摩擦力自匹配，对于在变温等引起机械结构形变的应用环境中，该马达变温过程中依然维持匹配状态，从而适用于该极端环境。

Description

三摩擦力自匹配的双压电体线性马达和扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及纳米压电定位器和扫描探针显微镜技术领域，具体是一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达和扫描探针显微镜。

背景技术

压电材料具有逆压电效应，通过对特定形状的压电材料(如压电片、压电管、压电堆栈等)施加电压信号从而产生纳米甚至亚纳米级别的微观形变。压电马达则是利用压电材料构建框架实现其微观形变的累积从而输出宏观运动位移并兼具纳米级高分辨特性，其在扫描探针显微镜领域、纳米级操纵与处理、光刻等技术领域有着重要应用。

目前比较流行的线性压电马达主要有惯性及非惯性两种，其中惯性马达的优势是结构简单，如“多区驱动的惯性压电马达装置及扫描探针显微镜和控制法”(专利授权号:ZL2014102097478)，但是由于是利用脉冲信号驱动压电体带动滑动体的惯性步进，其步长往往较大，且控制绝对位移的精度不高，这不利于对定位精度要求极高的应用，如扫描隧道显微镜中的探针到样品的亚纳米级别趋近操作；对于非惯性压电马达，如“双压电体线性纳米定位压电驱动器、其控制法及控制器”(专利授权号:ZL200610161477.3)及KoalaDrive(Rev.Sci.Instrum.83,023703(2012))描述的结构，其利用双压电体结构依次形变作用在中心体并带动中心体实现线性移动定位，这相较常见的惯性压电马达，非惯性马达的优势如下：1、由于中心体的线性运动来源于压电体通过静摩擦力线性(而非脉冲形式)驱动，其步进和定位的精度取决于压电材料的形变特性，因而具有亚纳米级别精度，其特别适合扫描探针显微镜的应用；2、由于非惯性原理，其中心移动体结构无需采用高密金属等材料来提升惯性作用,此类非惯性马达设计可采用高硬度、低热膨胀系数的陶瓷材料，一方面拓宽了设计摩擦及摩擦副的选料范围，另外由于可采用非金属材料，特别适合快变磁场等极端恶劣条件下的应用场景。

但是上述非惯性马达的设计也存在缺陷:1、中心移动体由双电压体两端及中部的三点支撑和导向，其工作要求三点摩擦力严格满足任意两点合力大于第三个，这对三点处摩擦力的调节要求高，尤其在变温等引起机械结构形变的条件下，该三处摩擦力很难持续保持匹配；2、三点支撑一个刚性中心体，这要求机械结构加工和组装进度高才可以实现三点近似共线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是针对现有非惯性马达设计中不同位置摩擦力匹配调节困难的弊病，提出一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达和扫描探针显微镜，可以实现:1、中心移动杆装配上即可实现摩擦力自配合，且可通过单点弹力调节维持所以工作摩擦力的自配合的同时，调节马达的输出推力；2、工作摩擦力最佳自匹配状况工作，实现低电压启动；3、对于变温等引起机械结构形变的应用环境中，工作摩擦力自匹配特性保证了马达行走条件得以实现；3、本设计可实现中心移动体三端接触力基本相等，基于此，可以通过进一步加大中心弹力来实现线性马达的大推力；4、中心体采用非金属材质，基于该三摩擦力自匹配的双压电体线性马达搭建。的扫描探针显微镜，结构紧凑，控制精度高，特别适用于磁场快变条件下的原子分辨率成像。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，包括第一压电体、第二压电体、移动杆，其特征在于，所述第一压电体、第二压电体固定连接，所述第一压电体、第二压电体的伸缩方向平行，第一压电体、第二压电体上均连接有支撑架，所述移动杆与所述支撑架滑动连接，所述支撑架、第一压电体、第二压电体上设有用于支撑所述移动杆的摩擦支撑部；

所述摩擦支撑部包括与所述第一压电体和或第二压电体连接的摩擦部、以及位于所述支撑架上的第一凸起、第二凸起，所述第一凸起、第二凸起对称布置于所述摩擦部与所述移动杆的对称轴线两侧。

作为本发明进一步的方案：所述第一压电体、第二压电体串联固定连接，所述摩擦部位于所述第一压电体、第二压电体的连接处。

作为本发明进一步的方案：所述第一压电体、第二压电体为管状结构，管状结构的所述第一压电体、第二压电体与所述移动杆同轴布置。

作为本发明进一步的方案：所述第一压电体、第二压电体为长方体结构。

作为本发明进一步的方案：所述第一压电体、第二压电体为一体化结构，且外电极中部分割分为两端独立控制的第一压电体、第二压电体。

作为本发明进一步的方案：所述第一压电体、第二压电体为管状结构，所述第二压电体套接在所述第一压电体内，所述第一压电体、第二压电体的一端通过支撑架固定连接，所述移动杆套接在所述第二压电体内，所搜第一压电体、第二压电体、移动杆同轴布置，所述第一压电体远离所述第二压电体一端设有支撑架，所述移动杆穿过两端的所述支撑架，所述第二压电体的自由端通摩擦部与所述移动杆支撑连接。

作为本发明进一步的方案：所述摩擦部为弹性体或准刚性材质的支撑凸起。

作为本发明进一步的方案：所述第一凸起、第二凸起的轴线夹角为120°。

作为本发明进一步的方案：所述第一压电体、第二压电体两端与所述支撑架为一体化结构，所述第一压电体、第二压电体内设有与所述第一压电体、第二压电体一体化的第一凸起、第二凸起。

一种扫描探针显微镜，其特征在于，其特征在于，包括支架，所述支架一端与所述第一压电体和或第二压电体固定连，所述移动杆靠近所述支架的一端设有探针，所述支架远离所述第一压电体的一端设有用于放置样品的平台，所述平台与所述探针同轴布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本申请的线性马达工作中作用在移动杆三处摩擦力自相等匹配,双压电体构成的二连压电杆驱动移动杆线性步进，结构易组装，维持工作在理想条件下，启动电压低；由于工作三摩擦力自匹配，对于在变温等引起机械结构形变的应用环境中，该马达变温过程中依然维持匹配状态，从而适用于该极端环境；

2、本申请可仅通过调节弹性体的弹力调节线性马达的推力并维持其工作条件,可实现大推力输出；

3、本申请基于该三摩擦力自匹配的双压电体线性马达搭建的扫描探针显微镜，双压电体之一采用XYZ压电扫描管同时兼顾步进和扫描，轴向和径向的紧凑性，刚性强，抗震动，适用超窄样品空间。

附图说明

图1是本发明三摩擦力自匹配的双压电体线性马达结构示意图。

图2是本发明三摩擦力自匹配的双压电管线性马达结构示意图。

图3是本发明三摩擦力自匹配的双压电管一体化线性马达结构示意图。

图4是本发明三摩擦力自匹配的双压电管嵌套线性马达结构示意图。

图5是本发明三摩擦力自匹配的双压电体线性马达搭建的扫描探针显微镜结构示意图。

图6是本发明中凸架型三摩擦力自匹配的双压电体线性马达结构示意图。

图7是本发明中凸架型三摩擦力自匹配的双压管线性马达结构示意图。

图8是本发明中凸架型三摩擦力自匹配的双压电管一体化线性马达结构示意图。

图9是本发明中凸架型三摩擦力自匹配的双压体、120度双凸架一体化线性马达结构示意图。

图10是本发明中凸架型三摩擦力自匹配的双压电体线性马达搭建的扫描探针显微镜结构示意图。

图中：1-第一压电体、2-第二压电体、3-移动杆、4-弹性体、5-支撑架、51-第一凸起、52-第二凸起、6-形变方向、7-双凸架夹角、8-支架、9-探针、10-样品、11-支撑凸起。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，包括第一压电体1、第二压电体2、移动杆3及摩擦部4，在本实施例中，摩擦部4为弹性体，第一压电体1、第二压电体2沿形变方向6机械串联连接构成以压电形变方向为轴的二连压电杆，二连压电杆与移动杆3成共轴设置，二连压电杆的两端均连接有支撑架5，移动杆3与支撑架5滑动连接，两端的支撑架5内均设有用于支撑移动杆3的第一凸起51、第二凸起52，第一凸起51、第二凸起52关于弹性体、移动杆3的轴线对称布置，且第一凸起51、第二凸起52的夹角为120°，弹性体固定于二连压电杆的中部，通过其弹力将移动杆3弹性地压于两端的支撑架5内的第一凸起51、第二凸起52上，两端的支撑架5内的第一凸起51、第二凸起52迎着弹力方向支撑住移动杆3的两端，每一端的第一凸起51、第二凸起52在移动杆3上的正压力方向成120度夹角，弹力沿着该120度夹角角平分线方向，这样由弹性体施加给移动杆3的正压力Fn分给第一凸起51、第二凸起52各一半的力Fn/2，此Fn/2与第一凸起51、第二凸起52施加在移动杆3的合力等值反向，由于第一凸起51、第二凸起52施加在移动杆3的力的方向成120度夹角，因此第一凸起51、第二凸起52施加在移动杆3上的正压力均为Fn/2,两点支撑带来的正压力合力等于Fn，在控制弹性体及第一凸起51、第二凸起52材料一致情况下(即摩擦系数致)，从而实现了三段位置的摩擦力自匹配，且摩擦力可仅仅通过条件弹性体实现自配合调节。

实施例2

请参阅图2，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，在本实施例中，第一压电体1、第二压电体2为压电管，移动杆3为圆柱状，该结构高对称,结构本振频率高，适用变温、强磁场、强震动等环境的高精度定位。

实施例3

请参阅图3，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征是第一压电体1、第二压电体2为一体设置，即采用一根完整的压电管，通过对外电极中段进行分割，获得两段独立可控的压电管驱动件，该操作的优势是保证了两端的支撑架5的共轴性。

实施例4

请参阅图4，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，第一压电体1、第二压电体2为嵌套设置，即第二压电体2插接于第一压电体1内，第一压电体1、第二压电体2、移动杆3同轴布置，其中第二压电体2与第一压电体1共轴且一端固定设置，第二压电体2的长度L2小于第一压电体1长度L1，第一压电体1、第二压电体2自由端指向同一方向，在第一压电体1的自由端及第一压电体1、第二压电体2固定端均设有支撑架5，两端的支撑架5内均设有第一凸起51、第二凸起52，其导向与第一压电体1、第二压电体2形变方向6平行，在第二压电体2自由端设置弹性体将移动杆3弹性加持于两端的支撑架5内的第一凸起51、第二凸起52之间，两组第一凸起51、第二凸起52均双点支撑移动杆3，两端的支撑架5内的第一凸起51、第二凸起52双点支撑移动杆3正压力方向与弹性体施加在移动杆3弹力方向角度分别为arccos(L2/L1)及arccos[(L1L2)/L1]，方向与压电体形变6方向垂直，对于L1等于2倍的L2的情况夹角7为120度。

实施例5

请参阅图5，使用双压电线性马达的扫描探针显微镜，第一压电体1为XYZ压电扫描管，增设支架8与第一压电体1共轴设置，支架8一端固定在二连压电杆的外壁中部，另一端设置探针9或者样品10，指向移动杆3，移动杆3指向支架8探针9/样品10端位置设置样品10/探针9，二连压电杆带动移动杆3移动并将移动杆，上的探针9或者样品10定位到支架8上的样品10或者探针9的作用区上，利用第一压电体1即XYZ压电扫描管进行XY扫描成像，该结构中第一压电体1兼有驱动和扫描功能，结构紧凑。

实施例6

请参阅图6，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，包括第一压电体1、第二压电体2、移动杆3，与实施例1相比，将实施例1中的弹性体的摩擦部替换成准刚性材料的支撑凸起，其余的结构均与实施例1相同。

本实施例将弹性体替换为准刚性材料的支撑凸起11，通过打磨移动杆3的外径，移动杆3可以被支撑凸起11挤压到两端的支撑架5内的第一凸起51、第二凸起52上，弹性则是来自于二连压电杆及移动杆3的固有杨氏模量，得益于本发明三摩擦力自匹配的特性，即使未使用弹性体(弹力随线程调节范围大)作为弹力施加部件，利用结构自有的弹力亦可实现马达的工作(工作摩擦力自配合)，采用该结构可以使得二连压电杆与移动杆3装配更加紧凑，在同等外部完成尺寸前提下，增大压电驱动材料量，从而提升马达启动电压、推力等性能，且拥有更高的本振频率以增强抗干扰性。

实施例7

请参阅图7，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，本实施例与实施例2相比，将实施例2中的弹性体的摩擦部替换成准刚性材料的支撑凸起，其余的结构均与实施例2相同。

实施例8

请参阅图8，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，本实施例与实施例2相比，将实施例3中的弹性体的摩擦部替换成准刚性材料的支撑凸起，其余的结构均与实施例3相同。

实施例9:

请参阅图9，三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，两端的支撑架5与第一压电体1、第二压电体2一体化设置，第一压电体1、第二压电体2内设有与所述第一压电体1、第二压电体2一体化的第一凸起51、第二凸起52，本实施例的线性马达结构更加紧凑，采用外径5.4毫米，壁厚0.5毫米，长度28毫米尺寸的压电扫描管作为二连压电杆，移动杆采用直径3.5毫米蓝宝石棒材，实测启动电压35伏特。

实施例10

请参阅图10，使用双压电线性马达的扫描探针显微镜，本实施例与实施例5相比，将实施例5中的弹性体的摩擦部4替换成准刚性材料的支撑凸起11，其余的结构均与实施例5相同。

本发明三摩擦力自匹配的双压电体线性马达和扫描探针显微镜中二连压电杆中部采用弹性体结构的原理是:通过固定于二连压电杆的中部的弹性体的弹力将移动杆压在两个120度双凸架上，假设弹性体作用在移动杆上的弹力为Fn，该弹力与120度双凸架作用在移动杆上力平衡，由于120度双凸架采用双点120度角支撑，为满足力平衡原则，120度双凸架每个点对移动杆产生的正压力为Fn/2，故每个120度双凸架对移动杆产生的轴向摩擦力均为2XμFn/2即为uFn(其中u为动摩擦因子),在保证二连压电杆两端及中部位置对应移动杆的相对摩擦材料致下，弹性体作用在移动杆的摩擦力也为μFn,故实现了三摩擦力自匹配的理想条件；选取第一或者第二压电体为XYZ压电扫描管，设支架、探针及样品，所述支架与所述二连压电杆共轴设置，其端固定在所述二连压电杆的外壁中部，所述支架的部分沿着二连压电杆轴向并指向所述第一/第二压电体，在移动杆上设置探针,在支架相对探针位置设置样品，第一或者第二压电体兼顾马达步进和扫描作用，从而实现扫描探针显微镜结构紧凑，抗干扰强。

本发明三摩擦力自匹配的双压电体线性马达和扫描探针显微镜中二连压电杆中部采用中凸架结构的原理是:通过打磨移动杆的外径，移动杆可以被中凸架挤压到两个120度双凸架上，弹性则是来自于二连压电杆及移动杆的固有杨氏模量，得益于本发明三摩擦力自匹配的特性，即使未使用弹性体(弹力随线程调节范围大)作为弹力施加部件，利用结构自有的弹力亦可实现马达的工作(工作摩擦力自配合)，采用该结构可以使得二连压电杆与移动杆装配更加紧凑，在同等外部完成尺寸前提下，增大压电驱动材料量，从而提升马达启动电压、推力等性能，且拥有更高的本振频率以增强抗干扰性。基于该结构适合搭建扫描探针显微镜,特别是扫描隧道显微镜(轴向灵敏度达到0.01纳米)。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，包括第一压电体(1)、第二压电体(2)、移动杆(3)，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)固定连接，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)的伸缩方向平行，第一压电体(1)、第二压电体(2)上均连接有支撑架(5)，所述移动杆(3)与所述支撑架(5)滑动连接，所述支撑架、第一压电体(1)、第二压电体(2)上设有用于支撑所述移动杆(3)的摩擦支撑部；

所述摩擦支撑部包括与所述第一压电体(1)和或第二压电体(2)连接的摩擦部(4)、以及位于所述支撑架(5)上的第一凸起(51)、第二凸起(52)，所述第一凸起(51)、第二凸起(52)对称布置于所述摩擦部(4)与所述移动杆(3)的对称轴线两侧。

2.根据权利要求1所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)串联固定连接，所述摩擦部(4)位于所述第一压电体(1)、第二压电体(2)的连接处。

3.根据权利要求2所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)为管状结构，管状结构的所述第一压电体(1)、第二压电体(2)与所述移动杆(3)同轴布置。

4.根据权利要求2所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)为长方体结构。

5.根据权利要求1所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)为一体化结构，且外电极中部分割分为两端独立控制的第一压电体(1)、第二压电体(2)。

6.根据权利要求1所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)为管状结构，所述第二压电体(2)套接在所述第一压电体(1)内，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)的一端通过支撑架(5)固定连接，所述移动杆(3)套接在所述第二压电体(2)内，所搜第一压电体(1)、第二压电体(2)、移动杆(3)同轴布置，所述第一压电体(1)远离所述第二压电体(2)一端设有支撑架(5)，所述移动杆(3)穿过两端的所述支撑架(5)，所述第二压电体(2)的自由端通摩擦部(4)与所述移动杆(3)支撑连接。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述摩擦部(4)为弹性体或准刚性材质的支撑凸起(11)。

8.根据权利要求1所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一凸起(51)、第二凸起(52)的轴线夹角为120°。

9.根据权利要求1所述的一种三摩擦力自匹配的双压电体线性马达，其特征在于，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)两端与所述支撑架(5)为一体化结构，所述第一压电体(1)、第二压电体(2)内设有与所述第一压电体(1)、第二压电体(2)一体化的第一凸起(51)、第二凸起(52)。

10.使用权利要求1的三摩擦力自匹配的双压电体线性马达的一种扫描探针显微镜，其特征在于，其特征在于，包括支架(8)，所述支架(8)一端与所述第一压电体(1)和或第二压电体(2)固定连，所述移动杆(3)靠近所述支架(8)的一端设有探针(9)，所述支架(8)远离所述第一压电体(1)的一端设有用于放置样品的平台，所述平台与所述探针(9)同轴布置。

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