[发明专利]双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜

说明书

本发明提供了双折叠十字二维压电马达及控制法，包括滑板、XY压电体架、X+、X‑、Y+、Y‑压电体，该XY压电体架在X、Y方向的两端分别称为X+和X‑端、Y+和Y‑端，X+压电体一端固定于X‑端，另一端为自由端并指向X+端，X‑压电体一端固定于X+端，另一端为自由端并指向X‑端，X+、X‑压电体一上一下构成双层折叠X压电体；Y+、Y‑压电体以类似的方式固定在XY压电体架上，构成双层折叠Y压电体；所述双层折叠X、Y压电体呈十字交叠状，和XY压电体架一同构成十字XY压电体，将四个压电体的自由端以大小相等的力压于滑板上。本发明还涉及利用其制成的三维压电马达和扫描探针显微镜。其优点是：压电体利用率高，推力大，尺寸小，弹力自调节，行程广，工作温区大。

技术领域

本发明涉及压电步进器及其控制方法，以及利用其制成的三维压电马达和扫描探针显微镜，特别涉及一种相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法，以及利用其制成的三维压电马达和扫描探针显微镜，属于压电定位器技术领域和扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

压电马达是一种能够同时实现微观纳米级定位精度与宏观厘米级行程的器件，主要是利用压电材料产生较小的、可累积的周期性电致伸缩形变从而实现步进。由于其定位精度高、体积小，被广泛应用于微机电产品的定位加工，光学领域的精密移动平台，生物医学领域精密操控以及纳米科学成像等。是现代科学研究与工业制造不可或缺的高精尖技术应用。

近几年，二维压电马达的发展趋势是结构小、推力大、刚性强、行程大、高精度。但这些指标之间又存在着矛盾。如：结构小难以实现大行程，并且难会降低推力，而推力大会破坏精度，小结构与高刚性也难以兼容等。

我们在2018年提出过“一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法”（详见专利公开号：CN 109525142 A），其技术特征是：包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。该发明的优点是结构简单、推力大、精度高、行程大。

然而该发明仍然具有以下缺点：（1）垂直形变结构与滑板之间的四个接触点难以共处同一个平面。因为三点决定一个平面，该发明中垂直形变结构与滑板之间的四个接触点难以理想地同处一个滑板的平面，而只要有一个接触点与滑板接触得不好，就会影响该点的摩擦力，使得马达工作时摩擦力不能很好地抵消，这对整个马达的工作都是致命的。（2）推力不够大。马达是利用惯性力工作的，输出推力有限（3）难以精确调节垂直结构与滑板之间的正压力。受力片需要多次调节才能使得垂直结构与滑板之间四个接触点的正压力大致相等，操作困难。（4）马达的步进速度有限。由于马达利用惯性力工作，步进开始时需要使XY形变压电体缓慢形变，这会限制马达的步进速度。

发明内容

本发明则提出了一种新的双交叠十字二维压电马达及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明还提出了用该马达制成的三维压电马达和扫描探针显微镜。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双折叠十字二维压电马达，包括滑板以及设置于所述滑板上方的XY压电体架，所述XY压电体架在X方向与Y方向的两端分别为X+和X-端、Y+和Y-端，所述XY压电体架内设有X压电体部、Y压电体部，所述X压电体部、Y压电体部垂直交叉布置；

所述X压电体部包括X+压电体、X-压电体，所述X+压电体的一端固定于X-端，另一端为自由端并指向X+端，X-压电体的一端固定于X+端，另一端为自由端并指向X-端，所述X+压电体和X-压电体上下布置形成双层折叠结构；