本发明专利技术三或四压电体并行推进的步进器及其扫描探针显微镜镜体涉及压电定位器，包括三个或四个压电体、基座、滑块，三或四个压电体以三角形或方形排布和伸缩方向平行的设置固定站立于基座上，设置与这三或四个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于该方向上设置将各压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三或四个正压力对滑块产生的最大静摩擦力中，任一个小于其它两个或三个之和。滑块通过弹力和各压电体自由端相压。各压电体和基座可为整体设置，在所述步进器之外套一个固定于基座上的压电扫描管就构成小空间可工作的扫描探针显微镜镜体。本发明专利技术尺寸小、结构简单牢固、工作温区大、驱动力大，适于各种极端物理条件，接近理想步进器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电步进器，特别涉及一种由三或四压电体并行推进的步进器以及用其制成 的扫描探针显微镜镜体，属于压电定位器
技术介绍
同时拥有纳米级定位精度、毫米级大行程、从超低温到高于室温的大工作温区、大驱动 力、小尺寸、结构简单牢固和控制简单可靠的定位器是现今精密测量、纳米器件加工、原子/ 分子操纵、乃至亚原子结构成像所梦寐以求的定位工具，特别是在超低温和超强磁场等极端 物理条件下的纳米科学研究领域就更离不开这样的理想定位装置。例如超低温条件一般只 能在很小的空间内获得，该条件下的原子成像与操纵就必须使用微型的大工作温区步进器来 对探针或样品定位。又如在商业有售的52毫米孔径20特斯拉超强磁体中建造样品能相对于磁场方向做任意角度旋转的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microsc叩e,简称STM)就需要微型、结构牢固且有大驱动能力的步进器，否则难以在小空间内进行全方位(特别是在 需要克服重力的垂直方向)探针-样品粗逼近(coarse approach)。但真正的理想定位器尚未面 世，这也是为什么国际上至今尚无人能够制造出可在52毫米孔径20特斯拉超强磁体中任意 旋转样品的STM，虽然这种STM非常重要，能揭示出磁场方向与样品晶格方向间的重要效 应。实现上述理想定位器的最大难点在于尺寸小、结构简单牢固、驱动力大和工作温区大 四者难以兼得。例如惯性压电步进器虽然体积小，工作温区大，结构简单，但结构不牢固， 且驱动力小，难以以任意角度驱动较重样品。又如美国专利号3902084和3卯2085描述的尺蠖步进器，原理是左、中、右三个压 电体一字连接并有一轴杆从它们中间穿过。在各自信号的作用下，左压电体先握紧轴杆而右 压电体不握，接着中压电体伸长并推动左压电体连同其紧握的轴杆一起远离右压电体，然后 右压电体握紧轴杆而左压电体不握，进而中压电体收縮将左、右压电体拉近，轴杆相对于中 压电体就向左移动一步，如此往复可向左步进。也可改变压电体信号顺序而反向推动轴杆。 尺蠖步进器的推进要靠压电体轮流握紧和不握轴杆，就不能在大温区内工作，因为轴杆和压 电体的热胀冷缩不匹配且压电体的伸縮范围只有微米量级，致使压电体在温差大时会出现因 握力过小而打滑或过大而碎裂。此外，所述三压电体的一字排列也使得其尺寸增加，非常不 利于极端条件和微弱信号场合的应用。国际专利号WO 93/19494描述的剪切压电歩进器可解决尺蠖歩进器工作温区窄的缺陷，其原理为若干剪切压电体被弹力压靠在待移物体表面将其夹住。若某一剪切压电体被通以 信号产生切向形变，它在待移物体上的接触面就沿切向滑移，但不会移动待移物体，因为单 个压电体产生的摩擦力不足以克服其余多个压电体的总摩擦力。故可依次一个个地使所有剪 切压电体朝同一方向滑离原接触点，而待移物体仍保持原位。当所有剪切压电体上的信号同 时撤销(形变复原)，就会对待移物体产生相同方向(形变复原方向)的摩擦力，使其沿该方 向移动一步。如此往复可让待移物体步进。因剪切压电体都通过长作用范围的弹力夹住待移 物体而非以应力直接去夹，故在大温差时也不会在压电体和被夹物体间产生过大或过小的夹 力，压电体不会碎裂。但剪切压电步进器也有重大缺陷各压电体是分开的，不利于一体化 和小空间应用；剪切压电材料的切向驱动力一般较小，也难产生较大的移力。本专利技术将提出一种较理想的定位器，能解决上述缺陷，并能实现在小空间中可任意旋转 样品的STM。
技术实现思路
为了解决现有纳米精度歩进器不能同时具有尺寸小、结构简单牢固、驱动力大和工作温 区大的问题，提供一种三或四压电体并行推进的步进器以及用其制成的能在小空间中工作的 扫描探针显微镜镜体。本专利技术实现上述目的的技术方案是本专利技术一种三压电体并行推进的步进器，其结构特点在于包括三个压电体、基座、滑 块，其特征是所述三个压电体以三角形排布和伸縮方向平行的设置固定站立于基座上，设置 与三个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于三个压电体伸縮方向上设置将三个 压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三个正压力对滑块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。本专利技术三压电体并行推进的步进器的结构特点也在于所述滑块通过滑块自身的弹性和/或三个压电体的弹性和/或增设弹性体与三个压电体自 由端相压。所述三个压电体皆呈沿圆管轴向剖开的三分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站于圆环形基座上，构成圆管三压电体结构。所述三个压电体为整体设置，或所述三个压电体和基座四者为整体设置。 在每个压电体自由端与滑块间增设固定于该压电体自由端的传力块并以传力块对滑块产生所述正压力。本专利技术由所述三压电体并行推进的步进器制成的扫描探针显微镜镜体所采用的技术方案 是包括压电扫描管和所述三压电体并行推进的步进器，压电扫描管或套于所述步进器之外或置于其内，该压电扫描管的一端固定站立于所述步进器的基座上。本专利技术一种四压电体并行推进的步进器，其结构特点在于包括四个压电体、基座、滑 块，其特征是所述四个压电体以方形排布且伸縮方向平行的设置固定站立于基座上，设置与 四个压电体在伸縮方向上为滑动配合的滑块，在垂直于四个压电体伸缩方向上设置将四个压 电体的自由端或固定于四个压电体自由端的传力块与滑块相压的正压力，在这四个正压力对 滑块产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它三个最大静摩擦力之和。本专利技术四压电体并行推进的步进器的结构特点也在于-所述滑块通过滑块自身的弹性和/或四个压电体的弹性和/或增设弹性体与四个压电体自 由端相压。所述四个压电体皆呈沿圆管轴向剖开的四分之一圆管形，它们围合成一个圆管形固定站 立于圆环形基座卜.，构成圆管四压电体结构。所述四个压电体为整体设置，或所述四个压电体和基座五者为整体设置。本专利技术三压电体并行推进的步进器的工作原理为-T作时，可将初态设置为三个压电体皆为收縮状态。接着，三个压电体同时伸长，这将 带动滑块沿三个压电体伸长方向移动，因为此时三个压电体自由端对滑块产生的静摩擦力方 向相同，都是带着滑块往三个压电体伸长方向移动。滑块相对于基座歩进了一歩,但相对于 三个压电体fi由端都无滑动。最大推力是三个压电体自由端对滑块产生的最大静摩擦力之和， 所以推力(驱动力)是很大的。接着，三个压电体中的一个收縮(形变还原)，另两个保持伸长状态不变，此时收縮压电 体的自由端会在滑块上滑动，而另两个压电体的自由端以及基座相对于滑块都没有移动，因 为收缩压电体自由端对滑块产生的最大静摩擦力小于另两个压电体自由端对滑块产生的最大 静摩擦力之和。收縮压电体就恢复了最初的收縮状态且没有使滑块相对于基座移动。再接着， 还保持伸长状态的那两个压电体一个一个地收縮，同理知，它们也能恢复最初的收縮状态且 不使滑块相对于基座移动。至此，滑块已相对于基座步进了一步，且三个压电体也都恢复到 了最初的收缩状态。重复上述步骤可使滑块相对于基座一步步地沿三个压电体伸长方向歩进。同理，如果让初态皆为收縮状态的上述二压电体按照 一个伸长-另一个伸长-第三个伸 长-同时收縮的顺序来重复进行，可使滑块相对于基座一步步地沿三个压电体收縮方向步进。上述将滑块与三个压电体自由端相压的正压力可通过弹性体本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三压电体并行推进的步进器，包括三个压电体、基座、滑块，其特征是所述三个压电体以三角形排布和伸缩方向平行的设置固定站立于基座上，设置与三个压电体在伸缩方向上为滑动配合的滑块，在垂直于三个压电体伸缩方向上设置将三个压电体的自由端与滑块相压的正压力，在这三个正压力对滑块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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：施益智，陆轻铀，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。