本发明属于纳米定位器技术领域，涉及一种微驱动系统，尤其涉及一种基于单个压电堆栈的纳米定位器。
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，而纳米定位器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。
纳米定位器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，而压电堆栈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。由于纳米定位器具有结构简单、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以及大型天文望远镜的子镜面位移调节装置。
现就目前应用较为广泛的几款定位器结构进行比较：
（1）pan型纳米定位器：使用6组相同的剪切压电堆栈通过挤压方式固定中心滑杆，分别利用6路高压脉冲信号驱动剪切压电堆栈交替伸缩，从而实现滑杆的步进。其结构较为复杂，需要6路高压驱动信号，附加的电子噪音较大，制作成本较高。
（2）panda型纳米定位器：将一个完整压电陶瓷管的外电极中部的电极层刮掉，形成两个串联的压电陶瓷管段，利用置于压电陶瓷管内部的铍铜弹簧片与陶瓷管两端的基座环通过挤压方式固定滑杆，然后通过脉冲电压信号控制两个压电陶瓷管的有序伸缩，从而实现纳米级的位置调整。此款定位器对相关零部件的加工精度要求较高，制作较为复杂，整体机械结构刚性不强。
（3）tuna型纳米定位器：由5个压电堆栈组装而成，其中两个前肢堆和两个后肢堆分别相互串联，首先通过放大器输出的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电压伸缩信号控制体堆栈的伸缩，以带动前后肢堆的移动实现整体的步进。此款定位器结构复杂，而且需要三路不同频率的驱动信号控制，控制相对复杂。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供了一种基于单个压电堆栈的纳米定位器，该纳米定位器整体结构简单、机械结构刚性强、步进精度高，有效解决了现有技术中纳米定位器结构复杂、制备成本高、机械刚性不强且不易控制的问题，具体技术方案如下：
一种基于单个压电堆栈的纳米定位器，所述纳米定位器包括压电堆栈、刚性导向块、柔性导向块、滑杆和基座，所述压电堆栈垂直固定装设于所述基座上，所述刚性导向块包括上刚性导向块和下刚性导向块，所述上刚性导向块固定装设在所述压电堆栈的上自由端，所述下刚性导向块固定装设在所述压电堆栈的下自由端；所述柔性导向块装设于所述压电堆栈的中部位置，所述刚性导向块与所述柔性导向块共同作用产生挤压力将所述滑杆固定在所述压电堆栈的垂直中心对称轴处；其中，所述上刚性导向块和下刚性导向块上均开设有固定槽，且所述滑杆固定于所述固定槽中。
作为优选，所述压电堆栈由指定数量的机械结构完整的压电陶瓷片按正负极相互短接的方式粘接在一起，所述压电陶瓷片的一个面上开设有隔断槽，构成关于所述隔断槽对称设置的上压电堆栈段与下压电堆栈段。
作为优选，所述压电堆栈上与一电压驱动源连接，所述电压驱动源用于提供电压驱动信号，所述压电堆栈在所述电压驱动信号下产生压电效应；且所述电压驱动信号为两路同幅异相三角波电压驱动信号。
作为优选，所述压电效应包括收缩变形和伸长变形。
作为优选，所述刚性导向块由刚性易加工的材料制备而成。
作为优选，所述滑杆与所述柔性导向块以及所述上刚性导向块和下刚性导向块之间满足任意两者的摩擦力大小之和大于滑杆与第三者之间的摩擦力大小。
本发明的基于单个压电堆栈的纳米定位器，通过在压电堆栈的两自由端处装设刚性导向块，在压电堆栈的中部位置处装设柔性导向块，在刚性导向块与柔性导向块共同作用下对滑杆挤压，使滑杆固定，然后通过在压电堆栈上接入电压驱动源，将电压驱动源提供的两路同幅异相三角波电压驱动信号作用于压电堆栈上，使压电堆栈在电压驱动信号的作用下产生压电效应，即压电堆栈的压缩或伸长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、机械结构和控制方式简单且机械刚性强：仅需一个压电堆栈和两路同幅异相的三角波电压信号即可实现纳米级精度和厘米级范围的调整；
2、采用两个相同的虎口型对称性结构的刚性导向块和一个柔性导向块共同挤压固定滑杆，利用摩擦力原理驱动控制滑杆的纳米级定位调整，控制精度高且性能稳定。
附图说明
图1为本发明所述基于单个压电堆栈的纳米定位器结构图示意；
图2为本发明所述单个压电陶瓷片的特征图示意；
图3为本发明所述刚性导向块的结构示意图；
图4为本发明所述单个压电堆栈的电压驱动信号示意图；
图5为本发明所述基于单个压电堆栈的纳米定位器结构图向上步进原理图示意。
标示说明：1-压电堆栈、11-压电陶瓷片、111-隔断槽、1a-上压电堆栈段、1b-下压电堆栈段、2-刚性导向块、21-固定槽、2a-上刚性导向块、2b-下刚性导向块、3-柔性导向块、4-滑杆、5-基座。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参阅图1、图2和图3，在本发明实施例中，提供了一种基于单个压电堆栈的纳米定位器，纳米定位器包括压电堆栈1、刚性导向块2、柔性导向块3、滑杆4和基座5，压电堆栈1垂直固定装设于基座5上，刚性导向块2包括上刚性导向块2a和下刚性导向块2b，上刚性导向块2a固定装设在压电堆栈1的上自由端，下刚性导向块2b固定装设在压电堆栈1的下自由端；柔性导向块3装设于压电堆栈1的中部位置，刚性导向块2与柔性导向块3共同作用产生挤压力将滑杆4固定在压电堆栈1的垂直中心对称轴处；其中，上刚性导向块2a和下刚性导向块2b上均开设有固定槽21，且滑杆4固定于固定槽21中。
结合图2，压电堆栈1由指定数量的机械结构完整的压电陶瓷片11按正负极相互短接的方式粘接在一起，压电陶瓷片11的一个面上开设有隔断槽111，从而构成上压电堆栈段1a和下压电堆栈段1b，压电堆栈1上还与一电压驱动源连接，电压驱动源用于提供电压驱动信号，压电堆栈1在电压驱动信号下产生压电效应，所述电压驱动信号为两路同幅异相三角波电压驱动信号；本发明中的雅典堆栈1在两路同幅异相三角波电压驱动信号会对应产生伸缩变形和伸长变形，及所述压电效应。
优选的，本发明中的刚性导向块2由刚性易加工的材料制备而成，用于增强整个纳米定位器的刚性。
在本发明实施例中，滑杆4与柔性导向块3以及上刚性导向块1a和下刚性导向块1b之间满足任意两者的摩擦力大小之和大于滑杆4与第三者之间的摩擦力大小。
结合图4和图5，其中，图4为上述两路同幅异相三角波电压驱动信号的波形图，图5为本发明中的纳米定位器在图4中的两路同幅异相三角波电压驱动信号作用下的向上步进过程，假设滑杆4与上刚性导向块2a的摩擦力为f1，滑杆4与柔性导向块3的摩擦力为f2，滑杆4与下刚性导向块2b的摩擦力为f3，则纳米定位器的向上步进的具体过程描述如下：
t1时段，给上压电叠堆段1a施加一路收缩信号，滑杆4与上刚性导向块2a之间的摩擦力f1小于滑杆4与柔性导向块3间的摩擦力f2及滑杆4与下刚性导向块2b之间的摩擦力f3之和，即f1<f2+f3，根据压电效应，上压电叠堆1a收缩，滑杆4与上刚性导向块2a之间产生滑动摩擦力，滑杆4与上刚性导向块2a产生相对滑动。
t2时段，分别同时给上压电叠堆1a与下压电叠堆1b施加伸长信号与收缩信号，此时，滑杆4与柔性导向块3之间的摩擦力f2小于滑杆4与两端刚性导向块2间的摩擦力f1、f3之和，即f2<f1+f3，根据压电效应，上压电叠堆1a伸长，同时下压电叠堆1b收缩，滑杆4与柔性导向块3之间产生滑动摩擦力，滑杆4与柔性导向块3产生相对滑动，滑杆4与刚性导向块2保持相对静止。
t3时段，给下压电叠堆1b施加伸长信号，滑杆4与下刚性导向块2b之间的摩擦力f3小于滑杆4与柔性导向块3之间的摩擦力f2及滑杆4与上刚性导向块2a之间的摩擦力f1之和，即f3<f2+f1，根据压电效应，下压电叠堆1b伸长，滑杆4与下刚性导向块2b之间产生滑动摩擦力，由于下刚性导向块2b与基座5刚性相接，所以上刚性导向块2a与柔性导向块3共同带动滑杆4向上步进一步，同时压电叠堆1回到最初的状态。
综上所述，循环往复t1~t3过程即可实现纳米定位器的向上连续步进，同理，施加两路与之反向对称的同幅异相三角波电压驱动信号即可控制纳米定位器向下连续步进。
本发明的基于单个压电堆栈的纳米定位器，通过在压电堆栈的两自由端处装设刚性导向块，在压电堆栈的中部位置处装设柔性导向块，在刚性导向块与柔性导向块共同作用下对滑杆挤压，使滑杆固定，然后通过在压电堆栈上接入电压驱动源，将电压驱动源提供的两路同幅异相三角波电压驱动信号作用于压电堆栈上，使压电堆栈在电压驱动信号的作用下产生压电效应，即压电堆栈的压缩或伸长；本发明结构简单、易制作，且结构刚性强，驱动力大，仅需一个压电堆栈和两路三角波电压驱动信号即可控制滑杆的纳米级位置调整和厘米范围的调节。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。