相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜涉及一种压电步进器及其控制方法与用其制成的扫描探针显微镜，特别涉及一种利用相向摩擦来可控地减少阻力的三折叠压电马达及其控制方法与用其制成的扫描探针显微镜，属于压电定位器技术领域或扫描探针显微镜技术领域。
【背景技术】
[0002]压电马达是一种同时拥有微观纳米级定位精度与宏观厘米级行程的器件，其基本工作原理是利用压电材料产生周期性的电致伸缩形变，这些较小的周期性形变通过累积，形成较大的行程。由于其高精度与小体积的特点，压电马达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，生命科学领域对细胞和染色体等的操作以及纳米科学研宄领域的表面探测(如扫描探针显微镜的探针与样品之间的精确步进以及样品大范围搜索)等。是一种尖端科学与技术器件。
[0003]近年，压电马达的性能一直在提升并朝着小结构、大推力、高精度、高刚性的方向发展。但这些指标彼此之间存在着很多难以调和之处，如:小结构难以做到大推力，大推力会破坏高精度，小结构又难以兼顾高刚性等。
[0004]为了权衡这些指标，我们提出过“一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达”(见中国专利申请号:201410127166.X，以及我们在美国《科学仪器评论》(Review ofScientific Instrument) 2014年第85期第056108页发表的文章，其中给出了这款马达的优秀性能参数)，该发明的优点是刚性强、推力大、行程大、对称性高同时拥有小尺寸，而且适用于较大变化温区。
[0005]然而该压电步进器依然未解决的问题:(I)结构复杂，使用了五个压电体，也不利于刚性和紧凑性的提升。(2)负责推进的中心压电体，工作的有效长度相对较小，压电材料利用效率降低，反过来就是增加了马达的尺寸。(3)该结构使用五堆栈八摩擦力相互配合，在较大温区变化过程中，较多的弹簧片带来的不匹配风险会增大。
[0006]本发明则提出了一种新的利用相向摩擦减少阻力型压电马达，只需要三个压电体即可解决上述问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对现有技术“利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达”结构复杂，压电材料利用效率低，摩擦力配合复杂且困难的问题，提出一种相向摩擦力三折叠压电马达及其控制方法。
[0008]本发明实现上述目的的技术方案是:
[0009]一种相向摩擦力三折叠压电马达，包括平行双轨架，其特征是还包括三个压电体、两个弹簧片，所述三个压电体的形变方向一致并按折叠结构将第一压电体的一端与第二压电体的一端相固定，第二压电体的另一端与第三压电体的一端相固定，此结构称为三折叠压电体，其两端分别固定有弹簧片，以此将所述三折叠压电体弹性地压在所述平行双轨架的双轨之间，且三折叠压电体的形变方向与平行双轨架的导向方向一致，调节所述两弹簧片的弹性，以满足如下摩擦力配合条件:当第一压电体做周期性形变时，其与平行双轨架之间的摩擦力小于第三压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力，当第三压电体做周期性形变时，其与平行双轨架之间的摩擦力小于第一压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力。
[0010]在所述三折叠压电体的两端与平行双轨架之间，于所述两弹簧片相对称的位置处分别增设固定于三折叠压电体两端的两垫片，该两垫片与平行双轨架弹性相压。
[0011]在所述三折叠压电体的一端或两端增设支撑于所述端的弹簧片和垫片之间的支撑杆。
[0012]所述的三个压电体各自为一个压电片叠堆。
[0013]所述的第一压电体与第二压电体的一部分为一体的，或者第一压电体和第三压电体分别与第二压电体的两个不同部分为一体的，或者所述的三个压电体为一体的。
[0014]一种所述相向摩擦力三折叠压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设XYZ压电扫描管，所述XYZ压电扫描管的一端固定于三折叠压电体的一端，并且该XYZ压电扫描管的轴向与平行双轨架的导向方向一致。
[0015]一种所述相向摩擦力三折叠压电马达制成的扫描探针显微镜，其特征是增设XYZ压电扫描管，滑杆，滑杆弹簧片，滑杆导轨架，所述滑杆导轨架固定于平行双轨架上并且二者的导向方向一致，所述滑杆弹簧片将滑杆弹压在滑杆导轨架的导轨上，滑杆的轴向与滑杆导轨架的导向方向一致，XYZ压电扫描管与滑杆共轴地固定，在三折叠压电体的推动下，滑杆沿其轴向在滑杆导轨架上滑动。
[0016]一种所述相向摩擦力三折叠压电马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述的三个压电体，完成一步的步进:
[0017](a)第一压电体做周期性形变，频率为《1，第三压电体静止，第二压电体的形变由如下两部分叠加而成:第一部分为频率为ωI的周期性形变并与第一压电体的周期性形变形成推挽，第二部分为单向形变，且在其完成形变时，第一压电体至少完成了超过半个周期的形变；
[0018](b)第一压电体静止，第三压电体做周期性形变，频率为《3，第二压电体的形变由如下两部分叠加而成:第一部分为频率为《3的周期性形变并与第三压电体的周期性形变形成推挽，第二部分为单向形变且形变方向与其在(a)中的形变反向相反，且在其完成形变时，第三压电体至少完成了超过半个周期的形变。
[0019]所述第一压电体做周期性形变时的频率ω I等于第三压电体做周期性形变时的频率ω3。
[0020]本发明的相向摩擦力三折叠压电马达的工作原理是:工作时，先让第三压电体保持静止，并让第一压电体以较高的频率ω I做周期性形变(伸缩振动)，同时第二压电体缓慢的单向形变(比如收缩)，这将导致第一压电体相对于平行双轨架会被拉移动一段距离Δ Si，这是因为第三压电体的静止导致第三压电体与平行双轨架之间的最大静摩擦力fstill大于第一压电体在平行双轨架上作相向运动而产生的被抵消了的动摩擦力fvib。接着，让第一一压电体静止而第三压电体以较高的频率《3做周期性形变(伸缩振动)，同时让第二压电体缓慢地反向形变(伸长)，这导致第三压电体相对于平行双轨架会被推移动一段距离As3，且该移动的方向与之前第一压电体的移动方向一致。至此马达已步进了一步。如此重复可实现一步步地行走。类似地原理也能让马达反向步进，因为马达在行走方向上是前后对称的。
[0021]当然，我们可以让上述的ω? = ω3，而且，如果上述第一压电体与第二压电体是相同的，且两个弹簧片的弹力相同，上述第一压电体与第二压电体每一步的移动距离是相同的:Δ si = Δ s3。
[0022]通常要求第二压电体的单向慢形变(或反向的单向慢形变)的形变速率小于第一压电体(或第三压电体)的周期性形变速率。也即在第二压电体完成某一方向的慢形变时，周期性形变着的第一压电体或第三压电体要至少完成了超过半个周期的形变，否则马达行走不顺，甚至不走。这是因为:设第一压电体在做伸缩振动但伸缩的速率低至与第二压电体的单向慢形变的速率差不多，则当第一压电体被第二压电体拉动时，第一压电体的两端有一端相对于平行双轨架可能是静止的，受到的是静摩擦力。一般，只有动摩擦力，其大小才是不依赖于运动方向和速度的常数，静摩擦力则不是常数，而是介于O到最大静摩擦力之间某个值，取决于运动倾向的大小。所以，只有当第二压电体的单向慢形变速率比第一压电体的伸缩振动速率更低时，才能确保在任何时候，第一压电体相向运动的两端受到的都是动摩擦力，且方向相反，能够很好地抵消。这一分析对第二压电体在需要推动第三压电体时，也同样成立。
[0023]我们可以在所述三折叠压电体的两端与平行双轨架之间，于所述两弹簧片相对称的位置处分别增设固定于三折叠压电体两端的两垫片，该两垫片与平行双轨架弹性相压。这样，就是以两垫片和两弹簧片在平行双轨架上滑动着行走，可以保护压电体，避免压电体在平行双轨架上磨损。
[0024]我们也可在所述三折叠压电体的一端或两端增设支撑于所述端的弹簧片和垫片之间