本發(fā)明涉及一種壓電納米步進(jìn)器，特別涉及一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，屬于精密儀器領(lǐng)域，是納米科技類化學(xué)或物理實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的常用部件。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的壓電納米步進(jìn)器按壓電體的工作方式可以分為三種，即諧振式壓電納米步進(jìn)器、慣性壓電納米步進(jìn)器，推-拉式壓電納米步進(jìn)器。其中推-拉式壓電納米步進(jìn)器在工作時(shí)壓電體沿導(dǎo)軌或滑桿方向按特定的順序發(fā)生伸縮形變，從而促使壓電體與導(dǎo)軌或滑桿的各個(gè)接觸點(diǎn)按特定的順序進(jìn)行推拉運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)。如尺蠖壓電納米步進(jìn)器、潘氏壓電納米步進(jìn)器、蜘蛛壓電納米定位器等，這類壓電納米步進(jìn)器工作時(shí)安靜無振動(dòng)、電磁干擾小，廣泛應(yīng)用在精密光學(xué)儀器、掃描探針顯微鏡等精密測量儀器中。

2、壓電納米步進(jìn)器通過累加壓電體的微小形變實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，它步進(jìn)時(shí)會(huì)伴隨著壓電體交互的伸長和縮短。然而，壓電體在由伸長過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭s短過程或由縮短過程轉(zhuǎn)變?yōu)樯扉L過程中，要消耗一定的驅(qū)動(dòng)電壓才能實(shí)現(xiàn)輸出推力與輸出拉力的轉(zhuǎn)變，由于傳統(tǒng)壓電納米步進(jìn)器的壓電體在沿步進(jìn)的方向沒有施加預(yù)緊力，壓電體在由伸長過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭s短過程或由縮短過程轉(zhuǎn)變?yōu)樯扉L過程的轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)附近，能夠?qū)ν廨敵龅牧苄?，加之機(jī)械應(yīng)力回程誤差的影響，壓電體的實(shí)際輸出形變量受外界阻力的影響很大，因此，在此臨界點(diǎn)附近壓電納米步進(jìn)器能否行走以及行走的步長大小受外界阻力的影響很大；由于加工工藝的限制，壓電納米步進(jìn)器的導(dǎo)軌或滑桿不是完全均勻一致的，導(dǎo)軌或滑桿不同區(qū)域?qū)弘娂{米步進(jìn)器的阻力是不均勻的，這導(dǎo)致傳統(tǒng)壓電納米步進(jìn)器步進(jìn)過程中總是磕磕絆絆，步長長短不均勻，速度時(shí)快時(shí)慢。

3、其次，由于壓電磁滯效應(yīng)，壓電體在伸長過程的電壓-形變曲線和縮短過程的電壓-形變曲線是不同的，即使施加在壓電體上的驅(qū)動(dòng)信號電壓相同，它在伸長過程中的形變量與縮短過程中的形變量也是不同的，它們對壓電納米步進(jìn)器的步長和速度貢獻(xiàn)也不同，這導(dǎo)致施加在傳統(tǒng)壓電納米步進(jìn)器上的驅(qū)動(dòng)信號電壓的大小與壓電納米步進(jìn)器的步長和速度不是線性關(guān)系；

4、第三，由于壓電納米步進(jìn)器及其負(fù)載的重力方向豎直向下，當(dāng)壓電納米步進(jìn)器步進(jìn)的方向與重力方向相同時(shí)，它自身和負(fù)載的重力會(huì)加速納米步進(jìn)器的步進(jìn)，但當(dāng)它的步進(jìn)方向與重力方向相反時(shí)，它自身和負(fù)載的重力會(huì)阻礙它的步進(jìn)；由于傳統(tǒng)壓電納米步進(jìn)器的壓電體在輸出推力與輸出拉力轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)附近，壓電體能夠?qū)ν廨敵隽苄∩踔量赡転榱?，此時(shí)壓電步進(jìn)器自身和負(fù)載的重力大于壓電體對外輸出的力，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)壓電步進(jìn)器在沿不同方向步進(jìn)時(shí)，速度和步長受步進(jìn)方向的影響很大。

5、綜上，傳統(tǒng)壓電步納米進(jìn)器步進(jìn)時(shí)易受步進(jìn)方向、負(fù)載和導(dǎo)軌或滑桿拋光工藝的影響，在相同的驅(qū)動(dòng)信號下，它的步長不均勻，速度時(shí)快時(shí)慢，步進(jìn)速度與驅(qū)動(dòng)電壓之間是非線性，難以確定真實(shí)的步進(jìn)速度和位移。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有壓電納米步進(jìn)器在步進(jìn)過程中速度時(shí)快時(shí)慢，步長不均勻等問題，本發(fā)明提供一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，它通過在壓電納米步進(jìn)器的壓電體之間施加足夠大的穩(wěn)恒預(yù)緊力，極大減小了納米步進(jìn)器步進(jìn)時(shí)的阻力和負(fù)載重力對壓電體形變量的影響，并且在該穩(wěn)恒預(yù)緊力的作用下，壓電體只對外輸出推力，極大減小了壓電遲滯效應(yīng)引起的壓電納米步進(jìn)器步進(jìn)的非線性，該納米步進(jìn)器兼具有納米級分辨率、厘米級大行程、步長均勻、速度恒定等優(yōu)點(diǎn)，并且步進(jìn)速度與驅(qū)動(dòng)信號有良好的線性關(guān)系。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，包括第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體、外框、彈簧體、滑桿、輔助預(yù)緊彈簧，所述的外框?yàn)橐恢锌盏姆忾]或半封閉的框架結(jié)構(gòu)，所述的第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊沿滑桿方向置于外框內(nèi)部，并且第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊分別與外框前、后內(nèi)壁之間設(shè)有第一壓電體和第二壓電體,第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊之間設(shè)有彈簧體，所述第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體和外框在沿滑桿方向處于穩(wěn)恒預(yù)緊力的作用下，并且該預(yù)緊力來源于彈簧體的預(yù)緊形變，所述的滑桿與外框之間、滑桿與第一內(nèi)滑塊之間以及滑桿與第二內(nèi)滑塊之間均設(shè)置有輔助預(yù)緊彈簧，以使滑桿與外框之間、滑桿與第一內(nèi)滑塊之間以及滑桿與第二內(nèi)滑塊之間均產(chǎn)生合適的正壓力，進(jìn)而保證第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑和外框均與滑桿之間有合適的最大靜摩擦力。

3、作為優(yōu)選，所述第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體和彈簧體的總長度被外框限定為一恒定值，并且第一壓電體伸長或縮短一定長度時(shí)，第二壓電體或彈簧體縮短或伸長相同的長度。

4、作為優(yōu)選，所述彈簧體產(chǎn)生的預(yù)緊力大于第一內(nèi)滑塊或第二內(nèi)滑塊或外框與滑桿的摩擦力以及馬達(dá)自身重力和負(fù)載重力之和。

5、作為優(yōu)選，所述的彈簧體的總形變量主要來源于安裝時(shí)的預(yù)緊形變并且彈簧體的預(yù)緊形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一壓電體或第二壓電體的最大形變量，由第一壓電體或第二壓電體形變引起的彈簧體的形變量比起彈簧體的預(yù)緊形變量可以忽略，由第一壓電體或第二壓電體形變引起的彈簧體的預(yù)緊力改變也可以忽略，彈簧體的預(yù)緊力等效為一恒定值。

6、作為優(yōu)選，單獨(dú)控制第一壓電體或第二壓電體并使其伸長或縮短，另一個(gè)壓電體、外框、第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑均不發(fā)生形變，彈簧體被壓縮或伸長，第二滑塊或第一滑塊和外框相對靜止，第一內(nèi)滑塊或第二內(nèi)滑相對于滑桿發(fā)生滑動(dòng)。

7、作為優(yōu)選，同時(shí)控制所述第一壓電體和第二壓電體并使其中一個(gè)壓電體伸長，另一個(gè)壓電體縮短，外框、第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑均不發(fā)生形變，第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑相對靜止，滑桿與外框發(fā)生相對滑動(dòng)。

8、作為優(yōu)選，按特定的順序控制所述的第一壓電體和第二壓電體單獨(dú)或同時(shí)發(fā)生形變，使第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊和外框相對與滑桿依次發(fā)生滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)納米步進(jìn)器的步進(jìn)。

9、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：所述壓電納米步進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)勻速步進(jìn)、步長均勻，它的步進(jìn)的性能幾乎不受步進(jìn)方向的影響，一致性好，另外，由于彈簧體的預(yù)緊形變?yōu)楹暧^尺度，它調(diào)試簡單、易于裝配。

技術(shù)特征：

1.?一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，包括第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體、外框、彈簧體、滑桿、輔助預(yù)緊彈簧，所述的外框?yàn)橐恢锌盏姆忾]或半封閉的框架結(jié)構(gòu)，所述的第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊沿滑桿方向置于外框內(nèi)部，并且第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊分別與外框前、后內(nèi)壁之間設(shè)有第一壓電體和第二壓電體,第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊之間設(shè)有彈簧體，所述第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體和外框在沿滑桿方向處于穩(wěn)恒預(yù)緊力的作用下，并且該預(yù)緊力來源于彈簧體的預(yù)緊形變，所述滑桿與外框、第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊之間均設(shè)置有輔助預(yù)緊彈簧。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，所述第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體和彈簧體的總長度被外框限定為一恒定值，并且第一壓電體伸長或縮短一定長度時(shí)，第二壓電體或彈簧體縮短或伸長相同的長度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，所述彈簧體產(chǎn)生的預(yù)緊力大于第一內(nèi)滑塊或第二內(nèi)滑塊或外框與滑桿的摩擦力以及馬達(dá)自身重力和負(fù)載重力之和。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，所述彈簧體的預(yù)緊形變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一壓電體或第二壓電體的最大形變量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2?或3或4所述的一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，控制第一壓電體或第二壓電體單獨(dú)伸長或縮短，與該壓電體相接觸的內(nèi)滑塊相對于滑桿發(fā)生滑動(dòng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2?或3或4所述的一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，同時(shí)控制所述第一壓電體和第二壓電體并使其中一個(gè)壓電體伸長，另一個(gè)壓電體縮短，滑桿與外框發(fā)生相對滑動(dòng)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或2?或3或4所述的一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，其特征在于，按設(shè)定的順序控制所述的第一壓電體、第二壓電體單獨(dú)或同時(shí)發(fā)生形變，使所述第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、外框相對于滑桿依次發(fā)生相對滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)納米步進(jìn)器的步進(jìn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種具有穩(wěn)恒預(yù)緊力的線性壓電納米步進(jìn)器，包括第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體、外框、彈簧體、滑桿、輔助預(yù)緊彈簧，所述外框?yàn)橐恢锌盏姆忾]或半封閉的框架結(jié)構(gòu)，所述第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊沿滑桿方向置于外框內(nèi)部，并且第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊與外框內(nèi)壁之間均設(shè)有一個(gè)壓電體,第一內(nèi)滑塊和第二內(nèi)滑塊之間設(shè)有彈簧體，所述第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊、第一壓電體、第二壓電體和外框在沿滑桿方向處于穩(wěn)恒預(yù)緊力的作用下，所述滑桿與外框、第一內(nèi)滑塊、第二內(nèi)滑塊之間均設(shè)置有輔助預(yù)緊彈簧。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該納米步進(jìn)器兼有納米級分辨、步長均勻、速度恒定等優(yōu)點(diǎn)，并且步進(jìn)速度與驅(qū)動(dòng)信號有良好的線性關(guān)系。

技術(shù)研發(fā)人員：夏志剛,張晶晶
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國計(jì)量大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/17