[实用新型]一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达

说明书

本实用新型公开了一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达，包括基座、一个压电叠堆、一个刚性传力块、一个柔性传力块(由一个铍铜弹簧片和两个螺丝构成)和滑杆。所述压电叠堆按正负极相互短接垂直固定于基座上，并于其上施加一路锯齿波电压驱动信号，所述刚性传力块粘接固定于压电叠堆自由端，与柔性传力块通过挤压方式固定滑杆，挤压压力满足：刚性传力块和柔性传力块对滑杆的最大静摩擦力略大于滑杆自身重力。本实用新型结构简单易制作，仅需一个压电叠堆和一路锯齿波电压驱动信号即可控制滑杆的步进行走，同时，本实用新型摩擦力可调，驱动力可控，刚性强，具有纳米级步进精度，适合作为极端条件下的微型扫描探针显微镜的微调定位装置。

技术领域

本实用新型属于压电定位器技术领域，涉及一种微驱动系统，具体涉及一种基于单个压电叠堆的惯性纳米步进马达。

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。

纳米步进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，它主要利用压电陶瓷基片或薄膜、电致伸缩材料的声振动和微小形变的累加效果来产生移动，而压电叠堆则是在此基础上扩大了其性能：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有较大提高。由于纳米步进马达具有结构简单、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、电子扫描技术、微生物技术等领域，特别是在极低温和超强磁场等极端条件下作为微型扫描探针显微镜的微调定位装置。

公开号为CN107086812ACN、名称为“一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达”的发明公开的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、传力块(包括一个刚性导向槽和一个铍铜弹簧片)和滑杆。其中，两个剪切压电叠堆正负极分别短接，并且按照伸缩方向平行固定于基座上，利用刚性导向槽凹槽的两条棱和铍铜弹簧片将滑杆通过挤压方式固定于两个剪切压电叠堆之间，基于滑杆的惯性，当在压电叠堆上施加一路锯齿波电压驱动信号，便会实现滑杆的一次步进。该发明中，刚性导向槽凹槽的棱间距略小于滑杆的直径，通过调节滑杆与传力块之间的摩擦力实现步进。因此，该发明对刚性导向槽的加工精度要求较高，同时也要确保铍铜弹簧片与滑杆接触面的光滑程度。当滑杆反向步进时，不太容易调节导向槽凹槽两条棱对滑杆的最大静摩擦力与滑杆自身重力之间的大小关系，增加了调试的难度。

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。由于其工作原理及结构，很难将其尺寸缩小，其高压信号势必会给成像带来一定的电子噪声，且制作较为复杂，成本高。

(2)Koala压电马达及Panda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，实现粗逼近，步进完成后，利用第三根压电扫描管进行扫描。这两款马达需要高精度的加工工具以确保三组弹簧片拥有相同的弹性系数，结构稳定性不高。

(3)叠堆型Tuna马达：使用5个压电叠堆实现步进，其中两个前肢堆和两个后肢堆分别相互串联，通过放大器有序的输出两路高频周期性振动信号降低前、后肢堆与滑杆间的摩擦力，然后再由另一路不同频率的伸缩信号控制体叠堆的伸缩，以带动前后肢堆的移动实现整体的步进。在此款马达中，需要三路不同频率的控制信号，增加了控制难度且整体刚性不强。

实用新型内容