本發(fā)明屬于壓電定位器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具體涉及一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)。

背景技術(shù)：

納米技術(shù)是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又引發(fā)了一系列新的科學(xué)技術(shù)，如納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計(jì)量學(xué)等,而納米馬達(dá)正是納米科技研究中用于納米定位和納米測量的新型微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

近年來，壓電材料以其響應(yīng)速度快、輸出力大、線性度好、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)得到國內(nèi)外廣泛研究和應(yīng)用。將壓電陶瓷片以某種疊裝方式制成壓電堆棧，不僅保持了壓電陶瓷片原有的特性和優(yōu)點(diǎn)，而且其位移量和輸出力都較單個(gè)壓電陶瓷片有較大提高。壓電馬達(dá)就是一種能夠把每一步產(chǎn)生的微觀小壓電位移累加成一個(gè)宏觀大位移的壓電定位器，主要利用壓電陶瓷基片或薄膜、電致伸縮材料的聲震動(dòng)和微小形變將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械部件移動(dòng)。由于具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活的納米級(jí)定位精度、毫米級(jí)行程、結(jié)構(gòu)簡單牢固、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)、微機(jī)械和微系統(tǒng)、通訊傳感技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、光電子技術(shù)、電子掃描技術(shù)、微生物技術(shù)和航空航天等領(lǐng)域，特別是在極低溫和超強(qiáng)磁場等極端條件下作為納米科學(xué)研究中的理想定位裝置。

現(xiàn)就目前應(yīng)用較為廣泛的幾款馬達(dá)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較：

(1)Pan型壓電步進(jìn)馬達(dá)：使用6組剪切壓電堆棧相互擠壓固定中心的滑桿，通過控制器和高壓放大器輸出6路高壓脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)剪切壓電堆棧交替滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，步進(jìn)完成后通過置于滑桿頂部的壓電掃描管進(jìn)行掃描。其制作較為復(fù)雜且工作不穩(wěn)定，且多路高壓控制器的購買價(jià)格昂貴。

(2)Beetle型馬達(dá)：由三個(gè)固定在基座上的同型號(hào)的頂部分別粘接有光滑圓珠的壓電掃描管支撐一個(gè)樣品圓臺(tái)，圓臺(tái)為一個(gè)底部有三個(gè)斜面的圓環(huán)，通過電壓控制三個(gè)壓電掃描管的伸縮和側(cè)移實(shí)現(xiàn)探針-樣品的粗逼近，步進(jìn)完成后，利用置于中心的第四根壓電掃描管進(jìn)行掃描。馬達(dá)工作需要四根壓電掃描管，制作和使用都比較復(fù)雜，且體積較大，不適宜極端條件下使用。

(3)Koala壓電馬達(dá)：使用兩個(gè)壓電掃描管串聯(lián)，利用固定于壓電掃描管頂部、中部和底部的三組彈簧擠壓固定置于中心的滑桿，然后通過脈沖電壓信號(hào)控制兩個(gè)壓電掃描管的有序伸縮，實(shí)現(xiàn)探針-樣品的逼近，步進(jìn)完成后，利用第三根壓電掃描管進(jìn)行掃描，而且對(duì)三組彈簧的加工和組裝精度要求非常高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有壓電馬達(dá)所存在的不能同時(shí)具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單牢固、驅(qū)動(dòng)力大、行程長、驅(qū)動(dòng)信號(hào)簡單及工作溫區(qū)大等問題，本發(fā)明提供了一種由兩組壓電堆棧并行推進(jìn)的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)，該馬達(dá)制作非常簡單，僅需兩組壓電堆棧和一路脈沖電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可控制滑桿的步進(jìn)，具有納米級(jí)定位精度和較大的驅(qū)動(dòng)力，非常適合作為極低溫和超強(qiáng)磁場等極端條件下的定位裝置。

為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)，包括基座、傳力塊、絕緣導(dǎo)軌、滑桿和兩個(gè)壓電堆棧,其特征在于：所述兩個(gè)壓電堆棧按照伸縮方向平行固定于基座上，所述絕緣導(dǎo)軌粘接固定于兩個(gè)壓電堆棧自由端的中間，所述兩個(gè)壓電堆棧正負(fù)極分別短接，所述滑桿利用傳力塊通過擠壓方式固定于絕緣導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)，其擠壓壓力滿足傳力塊與滑桿間的最大靜摩擦力略大于滑桿本身重力。

進(jìn)一步，上述傳力塊包括四個(gè)剛性傳力塊和一個(gè)可調(diào)柔性傳力塊。

作為優(yōu)選，上述剛性傳力塊為氮化硅圓球，所述柔性傳力塊為鈹銅彈簧片。

為利用壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，在所述兩個(gè)壓電堆棧上施加一路脈沖電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

作為優(yōu)選，上述脈沖電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波電壓信號(hào)。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

1.結(jié)構(gòu)簡單緊湊易加工：僅利用了兩組壓電堆棧和一個(gè)絕緣導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，后期的制作和裝配也非常簡單。

2.驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)少：僅需一路鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可控制馬達(dá)的步進(jìn)。

3.驅(qū)動(dòng)力大：利用滑桿的慣性工作，理論上滑桿質(zhì)量越大，其馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力就越大。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)安裝示意圖。

圖2(a)是本發(fā)明所述一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的A-A¹面剖視圖。

圖2(b)是本發(fā)明所述一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的俯視圖。

圖2(c)是本發(fā)明所述一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的B-B¹面剖視圖。

圖3是本發(fā)明的工作原理圖。

圖4是基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的向下步進(jìn)示意圖。

圖中：1基座；2氮化硅圓球；3鈹銅彈簧片；4絕緣導(dǎo)軌；5滑桿；6壓電堆棧。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的工作原理是：

T0-T1時(shí)段，在兩組壓電堆棧電極上施加一路緩慢增長的電壓信號(hào)，根據(jù)壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，兩組壓電堆棧會(huì)緩慢伸長，在靜摩擦力的作用下，固定于壓電堆棧自由端的絕緣導(dǎo)軌將帶動(dòng)滑桿向上產(chǎn)生一定位移；

T1時(shí)刻，將施加于兩組壓電堆棧上的電壓信號(hào)突然撤除，兩組壓電堆棧將帶動(dòng)絕緣導(dǎo)軌瞬間收縮至其初始狀態(tài)，而由于滑桿自身的慣性作用，滑桿將相對(duì)于絕緣導(dǎo)軌產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一次步進(jìn)過程。

如此循環(huán)往復(fù)即可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)向上的連續(xù)步進(jìn)，同理，施加反向鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可控制馬達(dá)向下連續(xù)步進(jìn)。

如圖1所示，本發(fā)明所述一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)包括基座1、傳力塊(包括四個(gè)剛性傳力塊2和一個(gè)可調(diào)柔性傳力塊3)、絕緣導(dǎo)軌4、滑桿5和壓電堆棧6。其中：所述兩個(gè)壓電堆棧6按照伸縮方向平行固定于基座1上，所述絕緣導(dǎo)軌4粘接固定于兩個(gè)壓電堆棧6自由端的中間。所述滑桿5利用剛性傳力塊2和可調(diào)柔性傳力塊3通過擠壓方式固定于絕緣導(dǎo)軌4的內(nèi)側(cè)，其擠壓壓力滿足：傳力塊與滑桿5間的最大靜摩擦力略大于滑桿5本身重力。

如圖2所示，所述剛性傳力塊2為四個(gè)氮化硅圓球，所述柔性傳力塊3為鈹銅彈簧片。

所述兩組壓電堆棧6正負(fù)極分別短接，并于其上施加一路脈沖電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

如圖3所示，所述脈沖電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波電壓信號(hào)。

如圖4所示，本發(fā)明所述一種基于壓電堆棧的慣性納米步進(jìn)馬達(dá)的工作原理是：

T0-T1時(shí)段，在兩組壓電堆棧6電極上施加一路緩慢增長的電壓信號(hào)，根據(jù)壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，兩組壓電堆棧6會(huì)緩慢伸長，在靜摩擦力的作用下，固定于壓電堆棧6自由端的絕緣導(dǎo)軌4將帶動(dòng)滑桿5向上產(chǎn)生一定位移；

T1時(shí)刻，將施加于兩組壓電堆棧6上的電壓信號(hào)突然撤除，兩組壓電堆棧6將帶動(dòng)絕緣導(dǎo)軌4瞬間收縮至其初始狀態(tài)，而由于滑桿5自身的慣性作用，滑桿5將相對(duì)于絕緣導(dǎo)軌4產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一次步進(jìn)過程。

需要說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明所限定的范圍。