专利名称：坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，属于压电定位器技术领域。
背景技术：
压电步进器是一种能够把每一步产生的微观小压电位移累加成一个宏观大位移的压电定位器，可同时拥有纳米级定位精度、厘米级大行程，从而成为现今精密测量、纳米器件加工、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像的有力定位工具。其现今的发展趋势是高刚性、大推力、和小型化。我们以前提出了一种“双压电体并排推动的三摩擦力步进器”(发明专利授权号 ZL200910116492.X)是朝着这方面推进的一个典型代表。其技术特征为包括两个压电体、基座、滑杆，其特征是所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与两压电体自由端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，在这三个正压力对滑杆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。此即为双压电体并排推动的三摩擦力步进器工作的“摩擦力关系”。该步进器在所述三个正压力对滑杆产生的最大静摩擦力都相等时(称为“最佳摩擦力关系”)，能给出最大推力。该步进器的一个重要缺点是坚固性差(即刚性差)，因为两压电体的自由端相互独立、不固定，导致整体结构松散，在原子分辨率成像的应用中易受外振动干扰，成像质量低，对隔振、隔声等的要求增加。这特别影响其在强磁场、强电场、变温变压等极端条件与恶劣条件下的应用。此外，由于所述两压电体的自由端要承载一定的正压力，而自由端又无依靠，故两压电体也要承受一些有损害性的横向(垂直于压电伸缩方向)应力。为此，本发明提出如下技术方案(1)在两压电体自由端之间固定搭桥片，把两自由端相互拉住，但又不显著减少两自由端沿两压电体伸缩方向的自由性；(2)在此基础上，两压电体本身甚至也可以一体地围合起来固定站立于环形基座上，构成无缝管形双压电体结构，使坚固性、集成性大大提高。这些做法的合法性不是显而易见的，特别是完全一体的无缝管形双压电体结构看上去与原有技术中的双压电体结构已截然不同，虽然使得其坚固性大大增强，达到最强，但是其完全一体的结构也很容易被人认为两压电体相互牵扯严重，能极大程度地阻止两压电体的独立伸缩，导致步进器不工作。我们也是在多次实验的基础上，才揭示了这种担心没有必要。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是现有双压电体并排推动的三摩擦力步进器坚固性差的问题，从而提供一种坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器。( 二 )技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，包括两个压电体、基座、滑杆，所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，构成双压电体结构，且该步进器还包括搭桥片，该搭桥片的左右两端分别固定于所述两压电体的自由端，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与所述搭桥片的左右两端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，在这三个正压力对滑杆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。根据本发明的一种具体实施方式
，所述滑杆通过滑杆弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压，所述滑杆通过滑杆弹性和/或两压电体弹性和/或增设弹性体与所述搭桥片的左右两端弹性相压。根据本发明的一种具体实施方式
，所述两压电体皆呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形基座上，构成双缝管形双压电体结构。
根据本发明的一种具体实施方式
，所述滑杆置于所述双缝管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座和搭桥片或者所述滑杆为管形并把所述双缝管形双压电体结构连同基座和搭桥片套于其内，在滑杆与双缝管形双压电体结构之间设置弹簧片，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。根据本发明的一种具体实施方式
，在所述弹簧片设置于基座和滑杆之间，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座相压，并将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。根据本发明的一种具体实施方式
，在所述滑杆置于所述双压电体结构之外，所述弹簧片设置于双压电体结构和滑杆之间，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座相压，并将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。根据本发明的一种具体实施方式
，所述两压电体皆呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们一体地围合起来固定站立于环形基座上，构成无缝管形双压电体结构。根据本发明的一种具体实施方式
，所述滑杆置于所述无缝管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座和搭桥片，在滑杆与无缝管形双压电体结构的内壁之间设置弹簧片，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。根据本发明的一种具体实施方式
，所述滑杆为管形并套于所述无缝管形双压电体结构之外，在滑杆内壁与无缝管形双压电体结构的外壁之间设置弹簧片，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。根据本发明的一种具体实施方式
，所述弹簧片产生弹力的位置处于基座与垫片之间更靠近垫片的地方。(三)有益效果本发明的重要有益效果是增加了搭桥片，在不显著影响性能的情况下，大大增加了现有双压电体并排推动的三摩擦力步进器的坚固性，特别是无缝压电管型的双压电体并排推动的三摩擦力步进器更是把双压电体结构的坚固性也提高了，且提高到了极致。而弹簧片侧压自配合的技术方案不仅能使得步进器工作摩擦力关系、甚至最佳摩擦力关系得到自动满足，更可在双压电体结构为管形时，基座与垫片可与滑杆自动产生4点刚性接触，从而进一步增强刚性。这些都有助于提升其在抵抗外振动和声音干扰，获得高品质的原子分辨率成像等方面的应用，特别是有助于提升其在强磁场、强电场、变温变压等极端条件与恶劣条件下的高品质原子分辨率成像方面的应用。
图I是本发明基本的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。图2是本发明有缝管形坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。
图3是本发明弹簧片侧压有缝管形坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。图4是本发明弹簧片侧压且弹簧片设置于基座和滑杆之间的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。图5是本发明弹簧片侧压且弹簧片设置于双压电体结构和滑杆之间的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。图6是本发明无缝管形坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。图7是本发明弹簧片侧压无缝管形坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的结构示意图。图中标号1基座、2a两压电体之一、2b两压电体之二、2c两压电体之间的缝隙、2d两压电体之间的电极绝缘缝、3滑杆、4搭桥片、5a弹簧片、5b点接触或线接触、5c侧弹簧片的弹力方向与位置。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器的工作原理为坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，包括两个压电体、基座、滑杆，所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，构成双压电体结构。且该步进器还包括搭桥片，该搭桥片的左右两端分别固定于所述两压电体的自由端，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与所述搭桥片的左右两端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，在这三个正压力对滑杆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。由于与两压电体自由端相固定的是搭桥片的分开的两个部分搭桥片的左右两端，所以，这种固定法在压电体伸缩方向的刚性小，对压电体伸缩的阻碍力与压电体的伸缩力相比可以忽略，从而既增加了步进器的坚固性，又不显著影响性能(包括推力)。
更重要的是，我们的实验发现，即使把两压电体做成一个无缝的压电管，其中每个压电体为半片压电管，两者合起来为一个完整的无缝压电管，上述坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器依然能够很好地工作；这样的步进器结构的坚固性已达到了最高。其工作原理是一体化的两压电体依然能够独立地伸缩，只是在两压电体伸缩状态不同时(即一个伸长，另一个收缩)，该无缝压电管会倾斜，所以步进器是通过无缝压电管的摇摆运动实现两压电体的独立伸缩运动，从而使步进器行走的。我们实际上也在高分辨的显微镜下观测到了步进器行走时无缝压电管的摇摆运动，证明了我们的分析是对的，其工作原理是合理、可行的。这一方案与原理并不是显而易见的，因为完全一体的压电管与原有技术的两压电体分开的、独立可控的双压电体并排推动的三摩擦力步进器已完全面目全非，看不出有何联系了，甚至让人担心两压电体完全的一体化是否会导致它们相互牵扯并阻止对方独立伸缩，导致步进器不能工作。这充分体现了本发明的重要性。此外，本发明还提出了重要的弹簧片侧压自配合的技术方案以实现摩擦力关系、甚至最佳摩擦力关系的自动满足(I)所述滑杆置于所述双缝(或无缝)管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座和搭桥片，在滑杆外壁与双缝管形双压电体结构的内壁之间设置弹簧片，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。特别地，当弹簧片侧向弹力的作用点处于管形双压电体结构的两端(分别为基座端和压电体自由端)之间且距离基座远于距离另一端(自由端)的地方，且摩擦系数都相同时，即可保证摩擦力关系自动满足，步进器可工作。特别是当侧向弹力的作用点距离基座端为管形双压电体结构长度(即自由端到基座端的距离)的2/3的地方，即可保证自动满足最佳摩擦力关系。与此相类似，所述滑杆与双缝(或无缝)管形双压电体结构之间也可以内外对调(管形的滑杆把管形双压电体结构套于其内，弹簧片置于滑杆内壁和管形双压电体结构外壁之间)。此方案的优点是(I)通过从侧面植入仅仅一弹簧片，即可保证摩擦力关系，甚至最佳摩擦力关系，得到自动满足；(II)只在侧面插入了一小片薄弹簧片(几乎不增加任何空间)，几乎实现了双压电体并排推动的三摩擦力步进器所能实现出来的最小结构了，满足小型化要求；(III)刚性强滑杆被压在高刚性的双压电体结构两端，是十分牢固的结构，特别是，如果双压电体结构为管形(双缝或无缝)，而滑杆以一对平行的棱与其两端的环状搭桥片和环状基座相压，则可自动产生四点刚性相压，这是两件东西压在一起能产生的最多接触点的情形(通常只能产生三点接触，因为三点决定一个平面，第四点往往是悬浮的)，所以刚性很强。(2)对于非管形的双压电体结构，可将所述弹簧片设置于基座和滑杆之间，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座相压，并将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力；(3)对于非管形的双压电体结构，也可将所述滑杆置于所述双压电体结构之外，所述弹簧片设置于双压电体结构和滑杆之间，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座相压，并将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。后两种弹簧片侧压自配合方案的工作原理及其优点类似于第一种(管形双压电体结构)弹簧片侧压自配合方案的工作原理及其优点。实施例I :基本的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器
参见附图1，基本型坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，包括两个压电体2a、2b、基座I、滑杆3，所述两压电体2a、2b按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座I上，构成双压电体结构，其特征是还包括搭桥片4，该搭桥片的左右两端分别固定于所述两压电体2a、2b的自由端，设置与两压电体2a、2b在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆3，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆3与所述搭桥片4的左右两端相压的正压力以及将滑杆3与基座I相压的正压力，在这三个正压力对滑杆3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。由于与两压电体自由端相固定的是搭桥片4的分开的两个部分搭桥片的左右两端，所以，这种固定法在压电体伸缩方向的刚性小，对压电体伸缩的阻碍力与压电体的伸缩力相比可以忽略，从而既增加了步进器的坚固性，又不显著影响性能(包括推力)，这就实现了本发明的目的。实施例2 :弹力型坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器
在上述实施例中，所述滑杆3通过滑杆弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体5a与基座I弹性相压，所述滑杆3通过滑杆弹性和/或两压电体弹性和/或增设弹性体5a与所述搭桥片4的左右两端弹性相压，以实现在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆3与所述搭桥片4的左右两端相压的正压力以及将滑杆3与基座I相压的正压力，并使得在这三个正压力对滑杆3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。实施例3 :双缝管形双压电体结构的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，所述两压电体2a、2b皆呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形基座I上，构成双缝管形双压电体结构。实施例4 :弹簧片侧压双缝管形双压电体结构的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，或者所述滑杆3置于所述双缝管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座I和搭桥片4或者所述滑杆3为管形并把所述双缝管形双压电体结构连同基座I和搭桥片4套于其内，在滑杆3与双缝管形双压电体结构之间设置弹簧片5a，该弹簧片5a和滑杆3之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片5a将滑杆3的一端与基座I相压，将滑杆3的另一端与搭桥片4的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。实施例5 :弹簧片设置于基座和滑杆之间的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，所述弹簧片5a设置于基座I和滑杆3之间，该弹簧片5a和滑杆3之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片5a在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座I相压，并将滑杆3的另一端与搭桥片4的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。实施例6 :弹簧片设置于双压电体结构和滑杆之间的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，所述滑杆3置于所述双压电体结构之外，所述弹簧片设置于双压电体结构和滑杆3之间，该弹簧片5a和滑杆3之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片5a在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆3的一端与基座I相压，并将滑杆3的另一端与搭桥片4的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。实施例7 :弹簧片侧压内置滑杆的无缝管形双压电体结构的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，所述两压电体2a、2b皆呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们一体地围合起来固定站立于环形基座I上，构成无缝管形双压电体结构。实施例8 :无缝管形双压电体结构的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，所述滑杆3置于所述无缝管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座I和搭桥片4，在滑杆3与无缝管形双压电体结构的内壁之间设置弹簧片5a，该弹簧片5a将滑杆3的一端与基座I相压，将滑杆3的另一端与搭桥片4的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。
实施例9 :弹簧片侧压外套滑杆的无缝管形双压电体结构的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，所述滑杆3为管形并套于所述无缝管形双压电体结构之外，在滑杆3内壁与无缝管形双压电体结构的外壁之间设置弹簧片5a，该弹簧片5a将滑杆3的一端与基座I相压，将滑杆3的另一端与搭桥片4的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。实施例10 :摩擦力关系自满足的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器在上述实施例中，其特征是所述弹簧片5a产生弹力的位置处于基座与垫片之间更靠近垫片4的地方。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，包括两个压电体、基座、滑杆，所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，构成双压电体结构，其特征在于，还包括搭桥片，该搭桥片的左右两端分别固定于所述两压电体的自由端，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与所述搭桥片的左右两端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，在这三个正压力对滑杆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I所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述滑杆通过滑杆弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压，所述滑杆通过滑杆弹性和/或两压电体弹性和/或增设弹性体与所述搭桥片的左右两端弹性相压。
3.根据权利要求I所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述两压电体皆呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们围合起来固定站立于环形基座上，构成双缝管形双压电体结构。
4.根据权利要求3所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述滑杆置于所述双缝管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座和搭桥片或者所述滑杆为管形并把所述双缝管形双压电体结构连同基座和搭桥片套于其内，在滑杆与双缝管形双压电体结构之间设置弹簧片，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。
5.根据权利要求I所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，在所述弹簧片设置于基座和滑杆之间，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座相压，并将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。
6.根据权利要求I所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，在所述滑杆置于所述双压电体结构之外，所述弹簧片设置于双压电体结构和滑杆之间，该弹簧片和滑杆之间的弹性相压为点接触或线接触，该弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上将滑杆的一端与基座相压，并将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。
7.根据权利要求I所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述两压电体皆呈沿管形体中轴线剖开的半管形状，它们一体地围合起来固定站立于环形基座上，构成无缝管形双压电体结构。
8.根据权利要求7所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述滑杆置于所述无缝管形双压电体结构之内并且穿过分别位于其两端的基座和搭桥片，在滑杆与无缝管形双压电体结构的内壁之间设置弹簧片，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。
9.根据权利要求7所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述滑杆为管形并套于所述无缝管形双压电体结构之外，在滑杆内壁与无缝管形双压电体结构的外壁之间设置弹簧片，该弹簧片将滑杆的一端与基座相压，将滑杆的另一端与搭桥片的左右两端分别相压，构成所述的三个正压力。
10.根据权利要求4或5或6或8或9所述的坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，其特征在于，所述弹簧片产生弹力的位置处于基座与垫片之间更靠近垫片的地方。
全文摘要
本发明提出了一种坚固型双压电体并排推动的三摩擦力步进器，包括两个压电体、基座、滑杆，所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，构成双压电体结构。且该步进器还包括搭桥片，该搭桥片的左右两端分别固定于所述两压电体的自由端，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与所述搭桥片的左右两端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，在这三个正压力对滑杆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。本发明尺寸小、刚性强、摩擦力条件和最佳摩擦力条件容易得到满足，适于作为极端条件和高灵敏原子分辨率扫描探针显微镜的粗逼近马达应用。
文档编号H01L25/03GK102856305SQ20121026029
公开日2013年1月2日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者陆轻铀, 王 琦 申请人:中国科学技术大学