[发明专利]一种双压电体并排惯性驱动的片型旋转马达及扫描探针显微镜

说明书

本发明双压电体并排惯性驱动的片型旋转马达，包括第一压电体、第二压电体、基座、转盘片、转轴、第一压臂、第二压臂，第一压电体与第二压电体按照形变方向平行固定于基座，两压电体均为片状的伸缩压电体，它们为等厚共面设置，构成双驱动压电片，转轴垂直于转盘片盘面并固定于转盘片中心，构成共轴旋转结构，第一压臂与第二压臂的一端分别固定于第一压电体与第二压电体的自由端，两压臂平行并在双驱动压电片同一侧，且都平行于两压电体形变方向，两压臂另一端都指向基座，且弹性地夹持住转盘片边缘，两压电体形变方向以及两压臂均平行于转盘片盘面，转轴为对外力矩输出轴。本发明厚度尺寸小，适于空间受限的管状极端条件尖端测量仪器旋转的应用。

技术领域

本发明涉及一种压电马达，特别涉及一种双压电体并排惯性驱动的片型旋转马达，属于压电定位器技术领域。

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(见美国专利号3,902,084和3,902,085)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，见S.H Pan，WO 93/19494)，再到2009年和2013年我们发表的适用于大温度范围抗恶劣条件的强推力新型压电马达(专利授权号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)利用独有的专利技术，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大都较厚，因此较大地限制了其在管状极端条件中的应用。

又如我们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：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所占空间较大，整体结构较厚，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。