CN106712569A - 基于压电堆栈的惯性纳米步进马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，包括基座，传力块，绝缘导轨，滑杆和两个压电堆栈。两个压电堆栈按照伸缩方向平行固定于基座上，绝缘导轨粘接固定于两个压电堆栈自由端的中间。利用刚性传力块和可调柔性传力块将滑杆通过挤压方式固定于绝缘导轨内侧，其挤压压力满足：传力块与滑杆间的最大静摩擦力略大于滑杆本身重力。本发明制作非常简单，仅需两组压电堆栈和一路脉冲电压驱动信号即可控制滑杆的步进，具有纳米级定位精度和较大驱动力，非常适合作为极低温和超强磁场等极端条件下的定位装置。
Description
技术领域
本发明属于压电定位器技术领域，涉及一种微驱动系统，具体涉及一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达。
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、纳米加工技术和纳米计量学等,而纳米马达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。
近年来，压电材料以其响应速度快、输出力大、线性度好、不受电磁干扰等优点得到国内外广泛研究和应用。将压电陶瓷片以某种叠装方式制成压电堆栈，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较单个压电陶瓷片有较大提高。压电马达就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，主要利用压电陶瓷基片或薄膜、电致伸缩材料的声震动和微小形变将电能转换为机械部件移动。由于具有结构简单、设计灵活的纳米级定位精度、毫米级行程、结构简单牢固、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、光电子技术、电子扫描技术、微生物技术和航空航天等领域，特别是在极低温和超强磁场等极端条件下作为纳米科学研究中的理想定位装置。
现就目前应用较为广泛的几款马达结构进行比较：
(1)Pan型压电步进马达：使用6组剪切压电堆栈相互挤压固定中心的滑杆，通过控制器和高压放大器输出6路高压脉冲信号驱动剪切压电堆栈交替滑动实现步进，步进完成后通过置于滑杆顶部的压电扫描管进行扫描。其制作较为复杂且工作不稳定，且多路高压控制器的购买价格昂贵。
(2)Beetle型马达：由三个固定在基座上的同型号的顶部分别粘接有光滑圆珠的压电扫描管支撑一个样品圆台，圆台为一个底部有三个斜面的圆环，通过电压控制三个压电扫描管的伸缩和侧移实现探针-样品的粗逼近，步进完成后，利用置于中心的第四根压电扫描管进行扫描。马达工作需要四根压电扫描管，制作和使用都比较复杂，且体积较大，不适宜极端条件下使用。
(3)Koala压电马达：使用两个压电扫描管串联，利用固定于压电扫描管顶部、中部和底部的三组弹簧挤压固定置于中心的滑杆，然后通过脉冲电压信号控制两个压电扫描管的有序伸缩，实现探针-样品的逼近，步进完成后，利用第三根压电扫描管进行扫描，而且对三组弹簧的加工和组装精度要求非常高，结构稳定性不高。
发明内容
为了解决现有压电马达所存在的不能同时具有尺寸小、结构简单牢固、驱动力大、行程长、驱动信号简单及工作温区大等问题，本发明提供了一种由两组压电堆栈并行推进的惯性纳米步进马达，该马达制作非常简单，仅需两组压电堆栈和一路脉冲电压驱动信号即可控制滑杆的步进，具有纳米级定位精度和较大的驱动力，非常适合作为极低温和超强磁场等极端条件下的定位装置。
为实现以上的技术目的，本发明采取的技术方案是基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，包括基座、传力块、绝缘导轨、滑杆和两个压电堆栈,其特征在于：所述两个压电堆栈按照伸缩方向平行固定于基座上，所述绝缘导轨粘接固定于两个压电堆栈自由端的中间，所述两个压电堆栈正负极分别短接，所述滑杆利用传力块通过挤压方式固定于绝缘导轨的内侧，其挤压压力满足传力块与滑杆间的最大静摩擦力略大于滑杆本身重力。
进一步，上述传力块包括四个刚性传力块和一个可调柔性传力块。
作为优选，上述刚性传力块为氮化硅圆球，所述柔性传力块为铍铜弹簧片。
为利用压电陶瓷片的压电效应，在所述两个压电堆栈上施加一路脉冲电压驱动信号。
作为优选，上述脉冲电压驱动信号为锯齿波电压信号。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.结构简单紧凑易加工：仅利用了两组压电堆栈和一个绝缘导轨，结构简单紧凑，后期的制作和装配也非常简单。
2.驱动电压信号少：仅需一路锯齿波电压驱动信号即可控制马达的步进。
3.驱动力大：利用滑杆的惯性工作，理论上滑杆质量越大，其马达驱动力就越大。
附图说明
图1是本发明所述一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的结构安装示意图。
图2(a)是本发明所述一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的A-A1面剖视图。
图2(b)是本发明所述一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的俯视图。
图2(c)是本发明所述一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的B-B1面剖视图。
图3是本发明的工作原理图。
图4是基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的向下步进示意图。
图中：1基座；2氮化硅圆球；3铍铜弹簧片；4绝缘导轨；5滑杆；6压电堆栈。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的工作原理是：
T0-T1时段，在两组压电堆栈电极上施加一路缓慢增长的电压信号，根据压电陶瓷片的压电效应，两组压电堆栈会缓慢伸长，在静摩擦力的作用下，固定于压电堆栈自由端的绝缘导轨将带动滑杆向上产生一定位移；
T1时刻，将施加于两组压电堆栈上的电压信号突然撤除，两组压电堆栈将带动绝缘导轨瞬间收缩至其初始状态，而由于滑杆自身的惯性作用，滑杆将相对于绝缘导轨产生相对滑动，从而实现一次步进过程。
如此循环往复即可实现马达向上的连续步进，同理，施加反向锯齿波电压驱动信号即可控制马达向下连续步进。
如图1所示，本发明所述一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达包括基座1、传力块(包括四个刚性传力块2和一个可调柔性传力块3)、绝缘导轨4、滑杆5和压电堆栈6。其中：所述两个压电堆栈6按照伸缩方向平行固定于基座1上，所述绝缘导轨4粘接固定于两个压电堆栈6自由端的中间。所述滑杆5利用刚性传力块2和可调柔性传力块3通过挤压方式固定于绝缘导轨4的内侧，其挤压压力满足：传力块与滑杆5间的最大静摩擦力略大于滑杆5本身重力。
如图2所示，所述刚性传力块2为四个氮化硅圆球，所述柔性传力块3为铍铜弹簧片。
所述两组压电堆栈6正负极分别短接，并于其上施加一路脉冲电压驱动信号。
如图3所示，所述脉冲电压驱动信号为锯齿波电压信号。
如图4所示，本发明所述一种基于压电堆栈的惯性纳米步进马达的工作原理是：
T0-T1时段，在两组压电堆栈6电极上施加一路缓慢增长的电压信号，根据压电陶瓷片的压电效应，两组压电堆栈6会缓慢伸长，在静摩擦力的作用下，固定于压电堆栈6自由端的绝缘导轨4将带动滑杆5向上产生一定位移；
T1时刻，将施加于两组压电堆栈6上的电压信号突然撤除，两组压电堆栈6将带动绝缘导轨4瞬间收缩至其初始状态，而由于滑杆5自身的惯性作用，滑杆5将相对于绝缘导轨4产生相对滑动，从而实现一次步进过程。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的范围。
Claims (5)
1.基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，包括基座、传力块、绝缘导轨、滑杆和两个压电堆栈,其特征在于：所述两个压电堆栈按照伸缩方向平行固定于基座上，所述绝缘导轨粘接固定于两个压电堆栈自由端的中间，所述两个压电堆栈正负极分别短接，所述滑杆利用传力块通过挤压方式固定于绝缘导轨的内侧，其挤压压力满足传力块与滑杆间的最大静摩擦力略大于滑杆本身重力。
2.根据权利要求1所述的基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，其特征在于所述传力块包括四个刚性传力块和一个可调柔性传力块。
3.根据权利要求2所述的基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，其特征在于所述刚性传力块为氮化硅圆球，所述柔性传力块为铍铜弹簧片。
4.根据权利要求1所述的基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，其特征在于在所述两个压电堆栈上施加一路脉冲电压驱动信号。
5.根据权利要求4所述的基于压电堆栈的惯性纳米步进马达，其特征在于所述脉冲电压驱动信号为锯齿波电压信号。
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