CN2248952Y - 一种推挽式一维微移动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种推挽式一维微移动装置包括3-5个箝位体，2-4个压电元件和导轨，每个箝位体中间嵌有直径3-18毫米，长度4-16毫米，具有相同磁场强度的圆柱形永磁体，压电元件采用PZT材料，其压电灵敏度为0.1-20μm/100伏，本实用新型的微移动装置具有结构简单，制造容易，不需要在箝位体上加电压，简化了电控设备，降低了成本，并且能在0-45°平面或斜面上移动。

Description

一种推挽式一维微移动装置

本发明涉及一种线性微移动装置，特别涉及到一种推挽式一维微移动装置。

目前在现有技术中已有一种称为“微位移爬行器”(专利申请号：89208274.7)的线性微移动装置。这种装置由压电驱动部分，吸定脚以及工作基面组成。按一定时序在两个吸定脚和压电驱动部分上施加特定的电压波形，爬行器就能实现微移动。要实现吸定脚和工作基面之间的箝位，需要在二者之间施加至少80伏的箝位电压。故此这种爬行器的结构组成和制造工艺比较复杂。

与微位移爬行器相似的还有商品“压电圆管式微动马达”。这种马达由压电圆管和导轴组成。压电圆管外电极被分成三个部分，内电极接地，从而使压电圆管变为三个独立的受控部分，两端起箝位(机械夹紧)作用，中间的部分起驱动作用。按一定时序在两端箝位部分及中间的驱动部分上施加特定的电压波形，这种马达就可实现微移动，由于要求压电圆管两端的箝位部分与导轴吻合极好(一般小于1μm)，因此这种马达的制造相当困难，另外这种马达同样需要100伏以上的箝位电压。

此外还有一种称为“冲击式纳米马达”的微移动装置，也能实现线性微移动，它由移动体，压电元件和惯性体三部分组成。驱动电压的波形可以控制压电元件在惯性体上产生的惯性力的大小和方向，从而控制移动体的微移动。但由于靠移动体自身重量产生的摩擦力来实现箝位移动，一般只限制在水平方向上移动。

我们以理论力学为基础并利用精密机械设计等方面的知识，克服了现有技术存在的不足，诸如：微位移爬行器等需要由100伏左右电压控制吸定脚(箝位部分)、工艺较复杂、制造困难以及冲击式纳米马达因靠自身重产生的摩擦力来实现箝位只能沿水平方向运动等问题；而提出一种结构简单、易于制造、不需要由电压控制的箝位部分以及能在一定斜面上运动的一维微移动装置。

本发明的推挽式一维微移动装置包括3-5个箝位体和2-4个压电元件及导轨三个部分。

本发明是按照下述运动模式来实现微移动：

首先，在第1个压电元件上施加与时间成线性关系、幅值0～220伏的电压。随着电压的增大，该压电元件将伸长并由此产生的推力将向右推动第1个箝位体，同时将向左推动第2-5箝位体。由于第1个箝位体与导轨的摩擦力小于第2-5箝位体与导轨的摩擦力的合力并且二者方向相反，所以第1个箝位体向右移动直到加在第1个压电元件上的电压达到最大值为止。而其它箝位体保持不动。第1个箝位体微移动的步长与压电元件的压电灵敏度有关，一般为几微米。

然后，施加在第1个压电元件上的电压从最大幅值下降，同时施加在第2个压电元件上的电压从0伏上升，并且上升电压的数值与下降电压的数值大小相等，这就使得第1个压电元件的缩短量和第2个压电元件的伸长量相同。这时第2个箝位体同时受到第1个压电元件由于缩短产生的向右的拉力和第2个压电元件由于伸长产生的向右推力，而第1和第3-5箝位体分别受到向左的拉力和推力，由于第2个箝位体与导轨的摩擦力小于第1和第3-5箝位体与导轨的摩擦力的合力并且二者方向相反，因此第2个箝位体向右移动直到加在第1个压电元件上的电压下降为零，加在第2个压电元件上的电压上升到最大值为止，而第1和第3-5箝位体保持不动，第2个箝位体微移动的步长和上述第1个箝位体的步长相同。

此后，加在第2个压电元件上的电压从最大幅值下降，该压电元件由于缩短而产生的拉力将向右拉动第3个箝位体而将向左拉动第1和第2个箝位体。由于第3个箝位体受到的摩擦力小于其它箝位体的摩擦力，因此第3个箝位体向右移动直到加在第2个压电元件上的电压为零，而第1和第2、4、5箝位体保持不动。第3个箝位体微移动的步长与上述第1和2个箝位体的步长相同。

以此类推，3-5个箝位体就依次微移动了一步，如此循环，就能够实现在5-40毫米距离上的微移动。

为了增大3-5个箝位体与导轨之间的摩擦力，需要用磁力或弹性压力加在每个箝位体上，在微移动过程中，2-4个压电元件按一定时序伸缩以及3-5箝位体与平面的摩擦力按相应方式组合，使得其中某一个箝位体受到的推力，拉力或二者的合力足以克服其自身受到的摩擦力，从而实现了推挽一维微移动，下面结合附图对本发明进一步说明。

图1、为永磁式箝位体微移动装置结构图

图1中；1、箝位体2、压电元件3、箝位体4、压电元件5、箝位体

       6、导轨7、永磁体8、永磁体9、永磁体

箝位体可采用金属如铝、铜或不锈钢等材料制成长5-20mm，宽4-20mm，中间带有直径3-18mm圆孔的正方体或长方体或直径为5-20mm，长度为5-18mm的圆柱体。并经研磨使得三个箝位体能在导轨上平滑移动；永磁体可采用磁性材料制成直径3-18mm、长度4-16mm的圆柱体，并具有相同的磁场强度，将其嵌入上述箝位体的圆孔中；导轨可采用工具钢制造并经淬火使其耐磨；压电元件可采用由PZT材料制做的压电器件，其压电灵敏度为0.1～20μm/100伏，其截面为φ5-15mm的圆形或长、宽分别为5-15mm的正方形或长方形。

这种微移动装置可应用在扫描隧道显微镜等仪器中，用于解决探针与样品间距的精密调节及样品台移动等问题。

图2、弹性压力式箝位体微移动装置结构图

图2中；1、箝位体2、压电元件3、箝位体4、压电元件5、箝位体

       6、导轨10滑块11、滑块12、滑块13、14、15弹性体

这种装置与图1所述的装置基本相同。不同的是在箝位体上部放置一个弹性体，使弹性压力加在箝位体上，以替代永磁体产生的磁力。用于制造不允许有磁场存在的场合下使用的微移动装置，如用于研制能与扫描电镜相结合的扫描隧道显微镜中的探针一样品间距的调节和样品台的移动装置。

本发明的微移动装置具有结构简单、制造容易、不需要在箝位体上加电压，简化了电控设备，降低了成本，并且能够在0-45°的平面或斜面上移动。本发明的微移动装置可在5-40mm的行程上，以亚微米级的步距实现可靠的连续移动，移动速度可达100步/秒以上。表1为本发明与现有技术的比较。

表1、推挽式微动装置与其它现有技术的比较一览表

	驱动部分	驱动电压	箝位部分	箝位电压	制造工艺	运动方向
							微位移爬行器	单个驱动元件	需要	静电吸引	需要80伏箝位电压	复杂	水平
压电圆管式纳米马达	同上	需要	压电式机械加紧	需要100伏以上箝电压	非常困难	水平和垂直
							冲击式纳米马达	同上	需要	自身重量	不需要	容易	水平
本项发明	2-4个驱动元件	需要	磁力弹力	不需要	容易	0-45°的平面或斜面

实施例：

结合附图1对永磁式箝位体微位移装置说明如下：三个箝位体是采用铜材料制成长、宽分别为6毫米的、中间带有直径3毫米，高度为5毫米的圆孔的正方块1、3、5，三个永磁体采用钕铁硼材料制成的直径为3毫米、长4毫米的圆柱7、8、9，并具有相同的磁场强度，将其嵌入上述箝位体的圆孔中；采用工具钢制做长50毫米、宽度10毫米、高12毫米并在其长度方向上开有宽6毫米、深2毫米导槽的导轨6，箝位体1、3、5和导轨6经过研磨使箝位体能够在导轨的导槽中平滑移动。堆栈式压电元件2、4长10毫米，截面为5×5毫米2，其压电灵敏度为3微米/100伏。组装时，如图1所示将三个箝位体1、3、5置于导轨6上，用502胶或环氧树脂把压电元件2、4和箝位体1、3、5粘在一起即可。两个压电元件施加幅值为26伏的电压，这种装置能够以200纳米的步长在导轨6上运动6毫米。

Claims (7)

1、一种推挽式一维微移动装置，包括压电元件，移动体和导轨，其特征在于所述的微移动装置为推挽式微移动装置，所述的移动体为3-5个箝位体，每个箝位体为中间带有圆孔的块体或带有一弹性体的实心块体，带有圆孔的每个块体内，有一个磁性体，所述压电元件的压电灵敏度为0.1-20μm/100伏，压电元件与箝位体的连接方式是用胶粘剂粘接，3-5个箝位体在导轨上平滑移动距离为5-40mm。

2、根据权利要求1所述的一种推挽式一维微移动装置，其特征在于所述的箝位体为长5-20mm，宽4-20mm的正方体或长方体或φ为5-20mm，长度为5-18mm的圆柱体。

3、根据权利要求1所述的一种推挽式一维微移动装置，其特征在于所述的磁性体的尺寸为具有相同磁场强度的φ为3-18mm，长度为4-16mm的圆柱体。

4、根据权利要求1所述的一种推挽式一维微移动装置，其特征在于所述的压电元件的材料为PZT，截面为φ5-15mm的圆形或长、宽分别为5-15mm的正方形或长方形。

5、根据权利要求1所述的一种推挽式一维微移动装置，其特征在于所述的箝位体的材料为铝、铜或不锈钢。

6、根据权利要求1所述的一种推挽式一维微移动装置，其特征在于所述的导轨的材料为工具钢。

7、根据权利要求1所述的一种推挽式一维微移动装置，其特征在于所述的平滑移动是在0-45°的平面或斜面上的移动。

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