[发明专利]嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器与步进扫描器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器以及用其制成的步进扫描器，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电定位器能在宏观(毫米)范围内把物体定位到纳米精度，因而在纳米科学与技术领域中(包括原子成像、原子操纵等亚纳米领域)成为必不可少的工具。但压电效应一般较弱，压电形变产生的推力也较小，推动不了稍大的物体。压电定位器通常也难以工作于低温(如液氦温度)领域，因为在低温下压电形变进一步减小，给出的推力甚至小到不能克服摩擦阻力或负载重力而产生位移。

把压电材料做成多级压电堆栈(piezo stack)能给出较大的推力，但工艺复杂，定位精度变低，并且把压电材料粘接成堆栈所用的胶在低温下性能变差，且对超高真空具有破坏作用，十分不利于极端物理条件下的科研应用。

我们以前提出的双压电体并排推动的三摩擦力步进器(发明专利申请号：200910116492.X)，其一个重要的实施例为实施例4：管形双压电体并排推动的三摩擦力步进器。我们发现：现当围合成管形的双半管形压电体的长度小于3厘米时，步进器在液氦温度下就走不动了(在液氮温度下依然能工作)。增加双压电体的长度或将每个压电体制成压电堆栈可使步进器在液氦温度下工作，这是一个较显而易见的解决方案，但其更大的尺寸或更复杂的结构均难以在极端条件(空间小、真空度高)下得到广泛应用。

为此，我们在本发明中设计出了在不显著增加尺寸和不使用堆栈的情况下，能产生更大推力或能在更低温度下工作的压电步进器，并因其压电管不需要切割，保持了原有的完整性和刚性，故能步进地更稳健、更精密，其结构也更牢固(不易受外界震动的干扰，而通常外界震动很容易就能破坏原子级精度的应用，如扫描探针显微镜)。此外，本发明在结构上具有高度的对称性，能大大减少温度变化引起的热漂移，这对原子级定位精度的应用是非常重要的。

发明内容

本发明的目的：为解决上述缺陷，提出一种在不显著增加尺寸和不使用堆栈的情况下，能产生更大推力或能在更低温度下工作的压电定位器，并用其制成具有扫描功能的步进扫描器。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，包括两个压电管、两个保护片、基座、导向器，所述两压电管中的一个固定地立于基座上构成内压电管，而另一个套在所述内压电管之外也固定地立于该基座上构成外压电管，这两个压电管的压电伸缩方向相同，都为轴向，两个保护片分别设置在这两个压电管的自由端，导向器或者置于内压电管的内部或者置于外压电管的外部或者置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，在垂直于所述压电伸缩方向上设置将所述基座和两保护片分别与导向器相压的正压力，在这三个正压力对导向器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。

所述导向器通过导向器弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压，所述导向器通过导向器弹性和/或保护片弹性和/或增设弹性体与两保护片弹性相压。

所述两个保护片和基座均为环形，导向器为管形或柱形，其两端分别沿其轴线方向向另一端切入但不完全切分离，导向器设置于内压电管的内部，其两端外壁以弹力分别与环形基座的内侧以及两环形保护片的内侧相压。

所述导向器为方管形或圆管形或方柱形或圆柱形。

所述导向器为管形或围栏形并套在所述外压电管的外面，并与基座以及两保护片相压。

所述围栏的栏柱数目为2或3或4个。

所述栏柱或以圆柱面或以刀刃分别与所述基座和两保护片产生正压力。

嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器制成的步进扫描器，包括压电扫描管和所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器，压电扫描管固定地立于所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的基座上，该压电扫描管的轴线方向与所述嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的内和外压电管的轴线方向相同。

本发明嵌套双压电管推动的三摩擦力压电步进器的工作原理为：内压电管固定地立于基座上，而外压电管套在内压电管的外部也固定地立于该基座上，且两压电管的伸缩方向相同，都是轴向；

两压电管的自由端分别固定有保护片，导向器或者置于内压电管的内部或者置于外压电管的外部或者置于内压电管外壁与外压电管内壁间的间隙中，在垂直于所述伸缩方向上设置将导向器与两保护片相压的正压力以及将导向器与基座相压的正压力，在这三个正压力对导向器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。