专利名称：三或四压电体并行推进的步进器及其扫描探针显微镜镜体的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电步进器，特别涉及一种由三或四压电体并行推进的步进器以及用其制成 的扫描探针显微镜镜体，属于压电定位器技术领域。
背景技术：
同时拥有纳米级定位精度、毫米级大行程、从超低温到高于室温的大工作温区、大驱动 力、小尺寸、结构简单牢固和控制简单可靠的定位器是现今精密测量、纳米器件加工、原子/ 分子操纵、乃至亚原子结构成像所梦寐以求的定位工具，特别是在超低温和超强磁场等极端 物理条件下的纳米科学研究领域就更离不开这样的理想定位装置。例如超低温条件一般只 能在很小的空间内获得，该条件下的原子成像与操纵就必须使用微型的大工作温区步进器来 对探针或样品定位。又如在商业有售的52毫米孔径20特斯拉超强磁体中建造样品能相对
于磁场方向做任意角度旋转的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microsc叩e,简称STM)就
需要微型、结构牢固且有大驱动能力的步进器，否则难以在小空间内进行全方位(特别是在 需要克服重力的垂直方向)探针-样品粗逼近(coarse approach)。但真正的理想定位器尚未面 世，这也是为什么国际上至今尚无人能够制造出可在52毫米孔径20特斯拉超强磁体中任意 旋转样品的STM，虽然这种STM非常重要，能揭示出磁场方向与样品晶格方向间的重要效 应。实现上述理想定位器的最大难点在于尺寸小、结构简单牢固、驱动力大和工作温区大 四者难以兼得。例如惯性压电步进器虽然体积小，工作温区大，结构简单，但结构不牢固， 且驱动力小，难以以任意角度驱动较重样品。
又如美国专利号3902084和3卯2085描述的尺蠖步进器，原理是左、中、右三个压 电体一字连接并有一轴杆从它们中间穿过。在各自信号的作用下，左压电体先握紧轴杆而右 压电体不握，接着中压电体伸长并推动左压电体连同其紧握的轴杆一起远离右压电体，然后 右压电体握紧轴杆而左压电体不握，进而中压电体收縮将左、右压电体拉近，轴杆相对于中 压电体就向左移动一步，如此往复可向左步进。也可改变压电体信号顺序而反向推动轴杆。 尺蠖步进器的推进要靠压电体轮流握紧和不握轴杆，就不能在大温区内工作，因为轴杆和压 电体的热胀冷缩不匹配且压电体的伸縮范围只有微米量级，致使压电体在温差大时会出现因 握力过小而打滑或过大而碎裂。此外，所述三压电体的一字排列也使得其尺寸增加，非常不 利于极端条件和微弱信号场合的应用。
国际专利号WO 93/19494描述的剪切压电歩进器可解决尺蠖歩进器工作温区窄的缺陷，其原理为若干剪切压电体被弹力压靠在待移物体表面将其夹住。若某一剪切压电体被通以 信号产生切向形变，它在待移物体上的接触面就沿切向滑移，但不会移动待移物体，因为单 个压电体产生的摩擦力不足以克服其余多个压电体的总摩擦力。故可依次一个个地使所有剪 切压电体朝同一方向滑离原接触点，而待移物体仍保持原位。当所有剪切压电体上的信号同 时撤销(形变复原)，就会对待移物体产生相同方向(形变复原方向)的摩擦力，使其沿该方 向移动一步。如此往复可让待移物体步进。因剪切压电体都通过长作用范围的弹力夹住待移 物体而非以应力直接去夹，故在大温差时也不会在压电体和被夹物体间产生过大或过小的夹 力，压电体不会碎裂。但剪切压电步进器也有重大缺陷各压电体是分开的，不利于一体化 和小空间应用；剪切压电材料的切向驱动力一般较小，也难产生较大的移力。
本发明将提出一种较理想的定位器，能解决上述缺陷，并能实现在小空间中可任意旋转 样品的STM。
发明内容
为了解决现有纳米精度歩进器不能同时具有尺寸小、结构简单牢固、驱动力大和工作温 区大的问题，提供一种三或四压电体并行推进的步进器以及用其制成的能在小空间中工作的 扫描探针显微镜镜体。
本发明实现上述目的的技术方案是
本发明一种三压电体并行推进的步进器，其结构特点在于包括三个压电体、基座、滑 块，其特征是所述三个压电体以三角形排布和伸縮方向平行的设置固定站立于基座上，设置 与三个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于三个压电体伸縮方向上设置将三个 压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三个正压力对滑块产生的最大静摩擦力中，任一 个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。
本发明三压电体并行推进的步进器的结构特点也在于
所述滑块通过滑块自身的弹性和/或三个压电体的弹性和/或增设弹性体与三个压电体自 由端相压。
所述三个压电体皆呈沿圆管轴向剖开的三分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站
于圆环形基座上，构成圆管三压电体结构。
所述三个压电体为整体设置，或所述三个压电体和基座四者为整体设置。 在每个压电体自由端与滑块间增设固定于该压电体自由端的传力块并以传力块对滑块产
生所述正压力。
本发明由所述三压电体并行推进的步进器制成的扫描探针显微镜镜体所采用的技术方案 是包括压电扫描管和所述三压电体并行推进的步进器，压电扫描管或套于所述步进器之外或置于其内，该压电扫描管的一端固定站立于所述步进器的基座上。
本发明一种四压电体并行推进的步进器，其结构特点在于包括四个压电体、基座、滑 块，其特征是所述四个压电体以方形排布且伸縮方向平行的设置固定站立于基座上，设置与 四个压电体在伸縮方向上为滑动配合的滑块，在垂直于四个压电体伸缩方向上设置将四个压 电体的自由端或固定于四个压电体自由端的传力块与滑块相压的正压力，在这四个正压力对 滑块产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它三个最大静摩擦力之和。
本发明四压电体并行推进的步进器的结构特点也在于-
所述滑块通过滑块自身的弹性和/或四个压电体的弹性和/或增设弹性体与四个压电体自 由端相压。
所述四个压电体皆呈沿圆管轴向剖开的四分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站 立于圆环形基座卜.，构成圆管四压电体结构。
所述四个压电体为整体设置，或所述四个压电体和基座五者为整体设置。
本发明三压电体并行推进的步进器的工作原理为-
T作时，可将初态设置为三个压电体皆为收縮状态。接着，三个压电体同时伸长，这将 带动滑块沿三个压电体伸长方向移动，因为此时三个压电体自由端对滑块产生的静摩擦力方 向相同，都是带着滑块往三个压电体伸长方向移动。滑块相对于基座歩进了一歩,但相对于 三个压电体fi由端都无滑动。最大推力是三个压电体自由端对滑块产生的最大静摩擦力之和， 所以推力(驱动力)是很大的。
接着，三个压电体中的一个收縮(形变还原)，另两个保持伸长状态不变，此时收縮压电 体的自由端会在滑块上滑动，而另两个压电体的自由端以及基座相对于滑块都没有移动，因 为收缩压电体自由端对滑块产生的最大静摩擦力小于另两个压电体自由端对滑块产生的最大 静摩擦力之和。收縮压电体就恢复了最初的收縮状态且没有使滑块相对于基座移动。再接着， 还保持伸长状态的那两个压电体一个一个地收縮，同理知，它们也能恢复最初的收縮状态且 不使滑块相对于基座移动。至此，滑块已相对于基座步进了一步，且三个压电体也都恢复到 了最初的收缩状态。重复上述步骤可使滑块相对于基座一步步地沿三个压电体伸长方向歩进。
同理，如果让初态皆为收縮状态的上述二压电体按照 一个伸长-另一个伸长-第三个伸 长-同时收縮的顺序来重复进行，可使滑块相对于基座一步步地沿三个压电体收縮方向步进。
上述将滑块与三个压电体自由端相压的正压力可通过弹性体实现。这些弹性体可以和上 述相压双方中的一方固定，或者与双方都不固定，或者干脆就是滑块的一部分，或者干脆就 是压电体本身的弹性。
上述三个压电体可以为一个完整压电体的不同部分，三个压电体也可以和基座四者为一个完整压电体的不同部分，只要三个压电体的伸縮独立可控即可。
上述三个压电体可以皆为沿圆管轴向剖开的三分之一圆管形，它们围合起来固定站立于 环形基座上构成圆管三压电体结构，而滑块为圆管或圆柱形置于圆管三压电体结构之内，或 者滑块为圆管形套在圆管三压电体结构之外。
上述三压电体中每个压电体自由端与滑块间可增设固定于该压电体自由端的传力块并以 传力块对滑块产生所述正压力。传力块的作用是(1)传递正压力到滑杆上以避免压电体直 接与滑杆摩擦而引起压电体损坏(2)使得传递到滑杆上的正压力不随滑杆的行走而变化(3) 定义所述正压力的作用面积(4)改变对滑杆的摩擦系数。
所述三压电体并行推进的步进器一个重要益处是三个压电体若选为全同的，并在基座 上呈等边三角形排布(特别是三压电体为同一压电管沿轴向三等份切出时)，且滑块也是三度 对称的，则三压电体对滑块产生的三个正压力以及由此产生的三个最大静摩擦力等值，这不 仅自动满足"任一最大静摩擦力小于另两个之和"的条件，也是能产生最大推力的情形。
上述三压电体并行推进的步进器可制成扫描探针显微镜镜体增设压电扫描管，该压电 扫描管或套于所述步进器之外或置于其内，构成嵌套结构，该压电扫描管的一端固定站立于 所述步进器基座上。这样，如果在压电扫描管的自tii端与所述步进器的滑块上分别固定探针 与样品(样品与探针可对调)且探针指向样品表面，所述步进器就可实现探针与样品间的粗 逼近，而所述压电扫描管可实现探针与样品间的扫描成像。将所述基座或嵌套结构的外壁固
定于单向或万向转轮上pr实现相对于外磁场能任意角度旋转样品的扫描探针显微镜。
本发明四压电体并行推进的步进器的工作原理为
类似于上述三压电体并行推进的步进器，工作时，将初态皆为收縮状态的上述四个压电 体同时伸长，这将带动滑块沿四个压电体伸长方向移动，且推力很大，为四个压电体静摩擦 力之和。滑块相对于四个压电体自由端无滑动但相对于基座步进了一步。接着，四个压电体 中的一个收縮，另三个保持伸长状态不变，此时收缩压电体的自由端会在滑块上滑动，而其 它三个压电体的自由端以及基座相对于滑块没有移动，因为收縮压电体自由端对滑块产生的 最大静摩擦力小于另三个压电体自由端对滑块产生的最大静摩擦力之和，收縮压电体就恢复 了最初的收縮状态且没有使滑块相对于基座移动。再接着，还保持伸长状态的三个压电体一 个一个地收縮，同理知，它们也能恢复到最初的收縮态且不使滑块相对基座移动。至此，滑 块已相对于基座步进一步，且四个压电体都恢复到最初的收縮态。重复上述步骤可使滑块相 对于基座一步步地沿四个压电体伸长方向步进。同理，如果让初态皆为收缩状态的上述四个 压电体按照 -个伸长-另一个伸长-第三个伸长-第四个伸长-同时收縮的顺序重复，可使滑 块相对于基座一步步地沿四个压电体收缩方向步进。上述将滑块与四个压电体自由端相压的正压力可通过弹性体实现。这些弹性体可以和上 述相压双方中的一方固定，或者与双方都不固定，或者干脆就是滑块的一部分，或者干脆就 是压电体本身的弹性。
上述四个压电体可以为一个完整压电体的不同部分，四个压电体也可以和基座五者为一 个完整压电体的不同部分，只要四个压电体的伸縮独立可控即可。
上述四个压电体可以皆为沿圆管轴向剖开的四分之一圆管形，它们围合起来固定站立于 环形基座上构成圆管四压电体结构，滑块为圆管形或圆柱形置于圆管四压电体结构之内，或 者滑块为圆管形套在圆管四压电体结构之外。
上述四个压电体中每个压电体自由端与滑块间可增设固定于该压电体自由端的传力块并 以传力块对滑块产生所述正压力。
上述四压电体并行推进的步进器虽然比三压电体并行推进的步进器多出一个压电体，但 是四压电体并行推进的歩进器除步进功能外，还可拥有扫描成像功能。例如将固定站立于 基座上的压电扫描管从其自由端沿四个电极的间隙切入但不完全把扫描管切开。扫描时，给 扫描管未切开部分的两相对的电极分别加极性相反的电压，可使这两电极一个伸长一个縮短， 总效果是使得扫描管向一边倾斜而得到扫描效果，同理给另一对相对的电极上加极性相反的 电压可使得扫描管在另一方向上扫描。
根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在 (1)同时具有如下重要性能
(a) 尺寸小压电体为并行设置，比首尾串行连接的设计尺寸大大减小，步进器长度可 小于30毫米，从而能够被置于商业标准的52毫米孔径20特斯拉超强磁体中，制成 20特斯拉任意角度旋转样品型扫描探针显微镜。
(b) 结构简单牢固所有压电体同时钳住滑块是一个非常简单而牢固的结构，不易受外
界震动的千扰，控制也十分简单，既能提高其工作的稳定性，又不对其周围的其它 电路与部件产生较大干扰。特别是四压电体步进器可以既拥有步进功能，又拥有扫 描成像功能。
(C)工作温区大由于作用在滑块上的来自压电体的正压力为长程的弹性力，所以它们 之间热胀冷縮的不匹配不会对各正压力产生明显的变化，步进条件在温度变化很大 时依然得以满足，对加工精度的要求也不高。这使得本发明可在超低温至高于室温 的超大温区内都能工作，特别适用于变温方面与极低温条件下的应用。
(d)驱动力大驱动力来自压电体的伸縮应力和摩擦力的合作用。因为压电体的伸縮应
力可做得较大，如选用堆栈压电体(piezo stack),其驱动力更可高到吨量级，所以，驱动力可远大于利用角度形变(剪切压电体)推进的剪切压电步进器或惯性力推动 的惯性压电步进器。
(e) 纳米级定位精度具有纳米级定位精度，因为是压电定位。
(f) 毫米级大行程具有毫米级大行程，因为可重复步进。
(2)可实现在小空间中能任意旋转样品的扫描探针显微镜因为尺寸小，且牢固(可倒立)、 驱动力大(可垂直升降样品)、工作温区大(可工作于超低温)。
(3) 成本大大降低因为结构与控制都简单。
(4) 接近理想步进器由于上述优点，本发明就非常接近理想步进器了。
图1是本发明基本型三压电体并行推进的步进器结构示意图。
图2是本发明整体型三压电体并行推进的步进器结构示意图。
图3是本发明圆管形三压电体并行推进的步进器结构示意图。
图4是本发明圆管形滑块的三压电体并行推进的步进器结构示意图。
图5是本发明三压电体并行推进的步进器制成的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
图6是本发明基本型四压电体并行推进的歩进器结构示意图。
图7是本发明部件之一的圆管四压电体结构的示意图。
图8是本发明整体型圆管形四压电体并行推进的步进器结构示意图。
图中标号l滑块、2基座、3压电体一、3a压电体 -的自由端对滑块产生的正压力、3b 压电体一的伸缩方向、4压电体二、 4a压电体二的自由端对滑块产生的正压力、4b压电体二 的伸縮方向、5压电体三、5a压电体三的自由端对滑块产生的正压力、5b压电体三的伸縮方 向、6传力块、7管形压电体切缝、8滑块切口、 9压电管电极间隙、10压电体四、11压 电扫描管。
以下通过具体实施方式
和结构附图对本发明作进一步的描述。
具体实施例方式
实施例l:基本型三压屯体并行推进的步进器
参见图l，基本型三压电体并行推进的步进器，包括滑块l，基座2和三个压电体压电
体一 3、压电体二 4和压电体三5，其特征是所述三个压电体3、 4和5以三角形排布和伸縮 方向3b、 4b和5b平行的方式固定站立于基座2上，设置与三个压电体3、 4和5在伸縮方向 上为滑动配合的滑块1,在垂直于三个压电体3、 4和5的伸縮方向上设置将二个压电体3、 4 和5自由端与滑块1相压的正压力3a、 4a和5a，在这三个正压力3a、 4a和5a对滑块1产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。
工作时，将初态皆设置为收縮状态的上述三个压电体3、 4和5同时伸长，此时三个压电 体3、 4和5的自由端对滑块1产生的静摩擦力都是带着滑块1往三个压电体3、 4和5的伸 长方向移动。滑块1相对于基座2步进了一步，但相对于三个压电体3、 4和5的自由端都无 滑动。接着，压电体一3收縮，压电体二4和压电体三5保持伸长状态不变。此吋收縮压电 体一 3的自由端会在滑块1上滑动，而压电体二 4和压电体三5的自由端在滑块1上无滑动， 因为收縮压电体一 3自由端对滑块产生的最大静摩擦力小于压电体二 4和压电体三5的自由 端对滑块1产生的最大静摩擦力之和，收縮压电体一 3就恢复了最初的收縮态且没有使滑块 l相对基座2移动。接着，还保持伸长状态的压电体二4和压电体三5—个一个地收縮，同 理知，它们也能恢复最初的收縮态且不使滑块1相对于基座2移动。至此，滑块l已相对基 座2步进一步，且三个压电体3、 4和5都恢复到了最初的收縮状态。重复上述步骤可使滑块 1相对于基座2 —歩歩地沿三个压电体伸长方向步进。
同理，如果让初态皆为收缩状态的上述二个压电体按照压电体一3伸长，接着压电体 二4伸长，接着压电体三5伸长，接着三个压电体同时收縮的顺序来重复，可使滑块l相对 于基座2 —步步地沿三个压电体收縮方向步进。
上述工作原理揭示出本发明具有如下积极效果(1)体积小因为三个压电体为并行设
置，比首尾串行连接的设计尺寸大大减小；(2)结构简单牢固所有压电体同时钳住滑块是 一个非常简单而牢固的结构，不易受外界震动的十扰，控制也十分简单，既能提高其工作的 稳定性，又不对其周围的其它电路与部件产生较大干扰；(3)工作温区大由于作用在滑块 上的来自压电体的正压力为长程的弹性力，所以它们之间热胀冷縮的不匹配不会对各正压力
产生明显的变化，对加工精度的要求也不高。(4)驱动力大驱动力来自压电体的伸縮应力 和摩擦力的合作用。因为压电体的伸縮应力可做得较大，如选用堆栈压电体(piezo stack),其 驱动力更可高到吨量级。
实施例2:弹力型三压电体并行推进的步进器
在实施例1中，将滑块1与三个压电体3、 4和5自由端相压的正压力3a、 4a和5a可通 过滑块1自身的弹性(例如，附图4中切开的管形滑块)和/或三个压电体3、 4和5本身的 弹性和/或增设弹性体(例如，在附图4中的切开的管形滑块内放置弹簧)来实现。
实施例3:整体型三压电体并行推进的歩进器
上述实施例中的三个压电体3、 4和5可为一个完整压电体的不同部分，所述三个压电体 3、 4和5也可以和基座2四者为一个完整压电体的不同部分，均可通过分割电极和切割压电 体实现，只要三个压电体3、 4和5的伸缩独立可控即可。例如'将一个完整圆管状压电管的外电极沿轴向划分成三个三分之一圆管形电极，再沿这三个电极的间隙切割压电管但不完全 切开，这样，压电管的三个切丌部分构成所述三个压电体3、 4和5，而未切开部分可视为基 座2，参见附图2。
实施例4:圆管形三压电体并行推进的步进器
上述实施例中的三个压电体3、 4和5皆呈沿圆管形压电体轴线方向剖开的三分之一圆管 形，它们围合成一个圆管形固定站立于环形基座2上，构成圆管三压电体结构，如附图3， 剖开处形成管形压电体切缝7。
实施例5:圆管或圆柱形滑块的三压电体并行推进的步进器
在上述实施例4中，滑块1置于所述圆管三压电体结构之内，滑块1为圆管或圆柱形， 其一端沿其轴线方向向另一端切入，形成滑块切口8，但不完全切开，切开端产生弹性片(参 见图4)，弹性片的外壁以弹力与圆管三压电体结构的三个压电体3、 4和5自由端内侧相压。
如果三个压电体3、4和5是同一压电管沿轴向三等份切出来的且滑块1也是三度对称的， 则三个压电体对滑块1产生的三个正压力以及由此产生的二个最大静摩擦力等值，这不仅自 动满足"任一最大静摩擦力小于另两个之和"条件，而且也是能产生最大推力的情形。
实施例6:滑块套管型的三压电体并行推进的步进器
在上述实施例4中，滑块1套于所述圆管三压电体结构之外，滑块1为圆管形，其一端 沿其轴线方向向另一端切入，形成滑块切口 8，但不完全切开，切开端产生弹性片(参见图4)， 弹性片的内壁以弹力与圆管三压电体结构的三个压电体3、 4和5自由端外侧相压。
实施例7:传力块型三压电体并行推进的步进器
在上述实施例1至6中，在每个压电体自由端与滑块1间增设固定于该压电体自由端的 传力块6 (参见图2与图3)并以传力块6对滑块1产生所述正压力。传力块6的作用是(1) 传递正压力到滑杆1上以避免压电体直接与滑杆1摩擦而引起压电体损坏(2)使得传递到滑 杆1上的正压力不随滑杆1的行走而变化(3)定义所述正压力的作用面积(4)改变对滑杆 1的摩擦系数。
实施例8:三压电体并行推进的步进器制成的扫描探针显微镜镜体
上述实施例1至7中的三压电体并行推进的步进器可制成扫描探针显微镜镜体，见图5: 增设压电扫描管11，该压电扫描管11或者套于所述三压电体并行推进的步进器之外或者置 于其内，构成嵌套结构，该压电扫描管ll的一端固定站立于所述基座2上。这样，如果在压 电扫描管11的自由端与所述步进器的滑块1上分别固定探针与样品(样品与探针可对调)且探针指向样品表面，所述步进器就可实现探针与样品间的粗逼近，而所述压电扫描管ll可实 现探针与样品间的扫描成像，并且，该扫描探针显微镜的工作空间可以很小。将所述基座2 或嵌套结构的外壁固定于单向或万向转轮上可实现相对于外磁场能任意角度旋转样品的扫描 探针显微镜。
实施例9:基本型四压电体并行推进的步进器
参见图6，四个压电体3、 4、 5和10以方形排布且伸縮方向平行的设置固定站立于基座 2上，设置与四个压电体3、 4、 5和IO在伸縮方向上为滑动配合的滑块1，在垂直于四个压 电休伸縮方向上设置将四个压电体3、 4、 5和IO的自由端或固定于四个压电体自由端的传力 块与滑块1相压的正压力3a、 4a、 5a和10a，在这四个正压力对滑块1产生的最大静摩擦力 中，任一个最大静摩擦力小于其它三个最大静摩擦力之和。本实施例基本型四压电体并行推 进的步进器的工作原理可类比实施例1的三压电体并行推进的步进器工作原理。
实施例10:圆管形四压电体并行推进的步进器
上述实施例9中的四个压电体3、 4、 5和10皆呈沿圆管形压电体轴向剖开的四分之一圆 管形，它们围合成一个圆管形固定站立于环形基座2上，构成圆管四压电体结构(参见图7)。
实施例11:圆管或圆柱形滑块的四压电体并行推进的步进器
在上述实施例10中，滑块l置T所述圆管四压电体结构之内，滑块l为圆管或圆柱形， 其一端沿其轴线方向向另一端切入，形成滑块切口 8，但不完全切开，切开端产生四片弹性 体，每片的外壁以弹力与圆管四压电体结构的四个压电体3、 4、 5和10自由端内侧相压。
实施例12:滑块套管型的四压电体并行推进的步进器
在上述实施例10中，滑块l套于所述圆管四压电体结构之外，滑块l为圆管形，其一端 沿其轴线方向向另一端切入，形成滑块切口 8，但不完全切开，切开端产生四片弹性体，每 片的内壁以弹力与圆管四压电体结构的四个压电体3、 4、 5和10自由端外侧相压。
实施例13:弹力型四压电体并行推进的步进器
在实施例9至12中，将滑块1与四个压电体3、 4、 5和10的自由端相压的正压力可通 过滑块l自身的弹性和/或四个压电体3、 4、 5和10的弹性和/或增设弹性体来实现。
实施例14:整体型四压电体并行推进的步进器
上述实施例9至13中的四个压电体3、 4、 5和IO为一个完整压电体的不同部分，均可 通过划分电极和切割压电体实现，只要四个压电体3、 4、 5和10的伸縮独立可控即可。例如， 将一个完整圆管状压电管的外电极沿轴向划分成四个四分之一圆管形电极，形成压电管电极间隙9，再沿这四个电极的间隙切割压电管但不完全切开，这样，压电管的四个切开部分构 成所述四个压电体3、 4、 5和10，而未切开部分可视为基座2，参见附图8。
实施例15:传力块型四压电体并行推进压电步进器
在上述实施例9至14中，在每个压电体自由端与滑块1间增设固定于该压电体自由端的 传力块6并以传力块6对滑块1产生所述正压力。
权利要求
1、一种三压电体并行推进的步进器，包括三个压电体、基座、滑块，其特征是所述三个压电体以三角形排布和伸缩方向平行的设置固定站立于基座上，设置与三个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于三个压电体伸缩方向上设置将三个压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三个正压力对滑块产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和。
2、 根据权利要求1所述三压电体并行推进的步进器，其特征是所述滑块通过滑块自身的 弹性和/或三个压电体的弹性和/或增设弹性体与三个压电体自由端相压。
3、 根据权利要求1所述三压电体并行推进的步进器，其特征是所述三个压电体皆呈沿圆 管轴向剖开的三分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站于圆环形基座上，构成圆管三 压电体结构。
4、 根据权利要求1所述三压电体并行推进的步进器，其特征是所述三个压电体为整体设 置，或者所述三个压电体与基座四者为整体设置。
5、 根据权利要求1或2或3或4所述三压电体并行推进的歩进器，其特征是在每个压电 体自由端与滑块间增设固定于该压电体自由端的传力块并以传力块对滑块产生所述正压力。
6、 一种权利要求l所述三压电体并行推进的步进器制成的扫描探针显微镜镜体，其特征 是包括压电扫描管和所述三压电体并行推进的步进器，压电扫描管或套于所述步进器之外或 置于其内，该压电扫描管的一端固定站立于所述步进器的基座上。
7、 一种四压电体并行推进的步进器，包括四个压电体、基座、滑块，其特征是所述四个 压电体以方形排布且伸縮方向平行的设置固定站立于基座上，设置与四个压电体在伸縮方向 上为滑动配合的滑块，在垂直于四个压电体伸縮方向上设置将四个压电体的自由端或固定于 四个压电体自由端的传力块与滑块相压的正压力，在这四个正压力对滑块产生的最大静摩擦 力中，任一个最大静摩擦力小于其它三个最大静摩擦力之和。
8、 根据权利要求7所述四压电体并行推进的步进器，其特征是所述滑块通过滑块自身的 弹性和/或四个压电体的弹性和/或增设弹性体与四个压电体自由端相压。
9、 根据权利要求7所述四压电体并行推进的步进器，其特征是所述四个压电体皆呈沿圆 管轴向剖开的四分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站立于圆环形基座上，构成圆管 四压电体结构。
10、 根据权利要求7所述四压电体并行推进的歩进器，其特征是所述四个压电体为整体 设置，或者所述四个压电体与基座五者为整体设置。
全文摘要
本发明三或四压电体并行推进的步进器及其扫描探针显微镜镜体涉及压电定位器，包括三个或四个压电体、基座、滑块，三或四个压电体以三角形或方形排布和伸缩方向平行的设置固定站立于基座上，设置与这三或四个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于该方向上设置将各压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三或四个正压力对滑块产生的最大静摩擦力中，任一个小于其它两个或三个之和。滑块通过弹力和各压电体自由端相压。各压电体和基座可为整体设置，在所述步进器之外套一个固定于基座上的压电扫描管就构成小空间可工作的扫描探针显微镜镜体。本发明尺寸小、结构简单牢固、工作温区大、驱动力大，适于各种极端物理条件，接近理想步进器。
文档编号H01L41/09GK101521197SQ20091011649
公开日2009年9月2日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者施益智, 陆轻铀 申请人:中国科学技术大学