[发明专利]X电极分割十字多维压电马达及控制方法和扫描探针显微镜

说明书

本发明涉及X电极分割十字多维压电马达及控制方法和扫描探针显微镜，X电极分割十字二维压电马达，包括滑板，其特征是还包括一个十字形压电体，其中心设有X形电极分割线，构成电极独立的四个支臂结构，其中一对不相邻的支臂沿着x+或x‑方向形变，称为第二、四支臂，另一对不相邻的支臂沿着y+或y‑方向形变，称为第一、三支臂，设置四个大小相等的正压力将上述四个支臂的末端压于滑板的滑面上。本发明同时提出的对于该马达的控制方法以及利用其制成的三维压电马达和扫描隧道显微镜，结构简单、紧凑，十字形压电体受到的弹力自调节，压电材料的使用效率高，推力大，行程广，对称性高，工作温区大。

技术领域

本发明涉及一种利用相向摩擦减小驱动阻力的一体型二维压电马达及控制方法，以及利用X电极分割十字维压电马达制成的三维压电马达和扫描探针显微镜，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

压电马达是一种是利用压电材料产生较小的，可累积的周期性电致伸缩形变，从而实现微观纳米级定位精度与宏观厘米级行程的器件。由于其精度高与体积小，被广泛应用于半导体器件加工，光学领域的精密移动平台，以及纳米科学研究的表面探测等。是一种应用于高精尖科学与技术上的器件。

近几年，压电马达的发展趋势要求其结构小、推力大、行程大、精度高。在一维压电马达中兼具以上指标是其开发难点，而二维压电马达要同时兼具这些指标更是困难重重。

申请人在2018年提出过“口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法”(详见专利公开号：CN109412457A)，包括第一X压电体、第二压X电体、第一Y压电体、第二Y压电体，其特征是所述的四个压电体形变方向的两端首尾相连并围成闭合的“口”字形，构成口字形形变结构；还包括滑板，口字形形变结构可以在滑板上沿任何方向自由滑动。该发明的优点是结构简单、推力大、行程大、工作温区大。

然而该发明仍然具有以下缺点：(1)提供驱动力的四个接触点难以共处同一个平面。因为三点决定一个平面，该发明中提供驱动力的四个点难以理想地同处一个滑板的平面，而只要有一个接触点与滑板接触得不好，就会影响该点的摩擦力，这对整个马达的工作都是致命的。(2)增加弹性结构使马达结构变复杂，稳定性降低。因为增加了弹性结构，使马达的接触点增加，不再是四个摩擦力。而摩擦力个数的增加会增大摩擦力之间的协调难度，使得马达的工作变得不稳定。(3)输出推力小。首尾相连的口字形形变结构使得压电体彼此之间的形变相互影响，导致输出推力变小，如令一个压电体伸长或收缩，其他三个压电体保持静止，则该压电体的形变会受到限制。

发明内容

本发明技术问题：针对现有二维压电马达结构复杂，刚性弱，摩擦力配合复杂且困难的问题，提出一种X电极分割十字二维压电马达，只需要一个十字形压电体即可解决上述问题，其结构简单、紧凑，刚性强，摩擦力配合简单。本发明还提出了针对该马达的控制方法，以及利用该马达制成的小体积三维压电马达和扫描探针显微镜。

本发明技术解决方案：一种X电极分割十字二维压电马达，包括滑板，其特征在于还包括：十字形压电体，十字形压电体中心设有X形电极分割线，使十字形压电体在x+、x-、y+、y-方向的四个支臂电极独立，其中在x+和x-方向上的两个支臂沿着x+或x-方向形变，称为第二支臂和第四支臂，第二、四支臂末端为自由端；在y+和y-方向上的两个支臂可沿着y+或y-方向形变，称为第一支臂和第三支臂，第一、三支臂末端为自由端，设置四个大小相等的正压力将四个支臂的自由端压于滑板的滑面上。

所述滑板为具有双层板的一体化结构，所述十字形压电体平行置于双层板之间，第一支臂、第三支臂的自由端与双层板的之一相压，第二支臂和第四支臂的自由端与双层板的另一个板相压。

所述四个支臂的自由端是通过固定于其上的弹簧片与滑板相压的。十字形压电体以四弹簧片在滑板上滑动着行走，可以保护十字形压电体，避免十字形压电体在滑板上磨损，并且能提供长程相互作用的弹力。