[发明专利]双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜

说明书

一种双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜，属于压电定位器技术领域，解决如何设计一种低温强磁场中的扫描探针显微镜使用的双压电管并排惯性驱动的旋转马达；通过第一压电管或第二压电管做切向的惯性运动或轴向的惯性运动，带动转盘与压臂之间相对运动，从而带动转轴与转盘共轴旋转；本发明的结构紧凑，两根压电管竖立使用，减少了整个马达径向的尺寸，有利于马达在低温，强磁场的狭窄等空间的使用，压电管的控制方式简单可靠，具有极广泛的适用性；利用了压电管的轴向形变，减小了转动过程中的摩擦力，从而能产生更大的推力；整体采用无磁性设计，可以实现在磁场中任意角度旋转扫描探针显微镜。

技术领域

本发明属于压电定位器技术领域，涉及一种双压电管并排惯性驱动的旋转马达及旋转扫描探针显微镜。

背景技术

在外电场作用下，压电材料会在一定方向上产生机械形变或机械应力，当外电场反向时，此形变或应力也随之反向，这种效应称为逆压电效应。研究发现，压电陶瓷材料在电压下产生的位移非常精细，在微纳米量级，且振动或伸缩的幅值很微小，因此压电陶瓷材料具有较高的定位精度。然而，直接利用压电陶瓷材料的逆压电效应产生的形变量处于微纳米量级，所以难以在宏观上进行较大范围的移动。利用压电陶瓷材料制成的压电马达(PM)，通过重复形变可以产生宏观可见的位移，从而能够同时实现较高的定位精度和较大的移动范围。压电马达按运动方式可分为直线型和旋转型压电马达。目前，压电马达已广泛应用于精密机械、纳米器件加工、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像等领域。同时，压电马达作为一种新型的压电步进器，正逐步朝着小尺寸、大推力、高紧凑和高定位精度以及抗恶劣条件的方向发展，并取到了显著地进步。例如，应用在尖端测量仪器(如扫描探针显微镜)中的压电马达，自1972年诞生的尺蠖马达(Inchworm)，到1993年出现并被广泛应用的潘氏马达(Pan-style PM)，再到2009年和2013年的适用于大温度范围抗恶劣条件的强推力新型压电马达(专利申请号为201210260297.6)，逐步发展到2014年提出的推力更大、抗更恶劣条件、工作温区更大、更精密定位的叠堆型压电马达(专利申请号为201410127166.X)。

然而现今的前沿科学研究除了需要定位器具有小尺寸、大驱动、纳米级定位精度、抗恶劣条件的特点外，还需要满足在空间受限的管状极端条件(包括强磁场、极低温等)中对尖端测量仪器(如扫描探针显微镜等)旋转的需求，即实现样品相对于磁场方向做任意角度的旋转。比如，德国Attocube公司(Attocube Systems AG)利用独有的技术，设计和制造出了各种纳米精度位移器，包括360°旋转位移器(ANR系列产品)和倾角位移器(ANG系列产品)等，能在极低温、高磁场等环境中提供原子级的精度和厘米级的移动范围。但是该公司旋转系列的产品输出驱动力小，因此无法带动显微镜进行旋转运动，极大地限制了其在管状极端条件中的应用。

又如最近提出的一种口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达及控制法(专利申请号为201810046568.5)，其技术特征为：包括四个相同的条形压电体、四个条形片、底座以及转子，其特征是所述四个条形压电体各以一端作为固定端固定在底座上，组成口字形，各条形压电体余下的一端为自由端；四个条形片分别固定在所述四个条形压电体的自由端；在垂直于四个条形压电体形变方向上设置将条形片与转子相压的正压力，所述条形片通过条形片弹性和/或底座弹性和/或转子弹性和/或增设于条形压电体与条形片之间的弹性体的弹性，与转子弹性相压，所述设置在条形片与转子之间的四个正压力对转子的最大静摩擦力大小相等，这种对称结构更有利于马达的驱动控制，能给出最大推力。但是该旋转压电马达的几个重要缺点是：1)由四个相同的条形压电体组成的口字形结构，压电结构的电容大，电容大导致其频率受限，无法快速运动，启动电压高，该结构所占空间也较大，这特别影响其在强磁场、强电场、变温变压等管状极端条件与恶劣条件下的应用；2)四个压电体的控制比较繁琐，不利于使用者操作。