一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器

本发明涉及一种压电纳米步进器，特别涉及一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，属于精密仪器领域，是纳米科技类化学或物理实验室仪器设备的常用部件。

背景技术：

1、现有的压电纳米步进器按压电体的工作方式可以分为三种，即谐振式压电纳米步进器、惯性压电纳米步进器，推-拉式压电纳米步进器。其中推-拉式压电纳米步进器在工作时压电体沿导轨或滑杆方向按特定的顺序发生伸缩形变，从而促使压电体与导轨或滑杆的各个接触点按特定的顺序进行推拉运动，从而实现步进。如尺蠖压电纳米步进器、潘氏压电纳米步进器、蜘蛛压电纳米定位器等，这类压电纳米步进器工作时安静无振动、电磁干扰小，广泛应用在精密光学仪器、扫描探针显微镜等精密测量仪器中。

2、压电纳米步进器通过累加压电体的微小形变实现步进，它步进时会伴随着压电体交互的伸长和缩短。然而，压电体在由伸长过程转变为缩短过程或由缩短过程转变为伸长过程中，要消耗一定的驱动电压才能实现输出推力与输出拉力的转变，由于传统压电纳米步进器的压电体在沿步进的方向没有施加预紧力，压电体在由伸长过程转变为缩短过程或由缩短过程转变为伸长过程的转变临界点附近，能够对外输出的力很小，加之机械应力回程误差的影响，压电体的实际输出形变量受外界阻力的影响很大，因此，在此临界点附近压电纳米步进器能否行走以及行走的步长大小受外界阻力的影响很大；由于加工工艺的限制，压电纳米步进器的导轨或滑杆不是完全均匀一致的，导轨或滑杆不同区域对压电纳米步进器的阻力是不均匀的，这导致传统压电纳米步进器步进过程中总是磕磕绊绊，步长长短不均匀，速度时快时慢。

3、其次，由于压电磁滞效应，压电体在伸长过程的电压-形变曲线和缩短过程的电压-形变曲线是不同的，即使施加在压电体上的驱动信号电压相同，它在伸长过程中的形变量与缩短过程中的形变量也是不同的，它们对压电纳米步进器的步长和速度贡献也不同，这导致施加在传统压电纳米步进器上的驱动信号电压的大小与压电纳米步进器的步长和速度不是线性关系；

4、第三，由于压电纳米步进器及其负载的重力方向竖直向下，当压电纳米步进器步进的方向与重力方向相同时，它自身和负载的重力会加速纳米步进器的步进，但当它的步进方向与重力方向相反时，它自身和负载的重力会阻碍它的步进；由于传统压电纳米步进器的压电体在输出推力与输出拉力转变的临界点附近，压电体能够对外输出力很小甚至可能为零，此时压电步进器自身和负载的重力大于压电体对外输出的力，这就导致传统压电步进器在沿不同方向步进时，速度和步长受步进方向的影响很大。

5、综上，传统压电步纳米进器步进时易受步进方向、负载和导轨或滑杆抛光工艺的影响，在相同的驱动信号下，它的步长不均匀，速度时快时慢，步进速度与驱动电压之间是非线性，难以确定真实的步进速度和位移。

技术实现思路

1、为了解决现有压电纳米步进器在步进过程中速度时快时慢，步长不均匀等问题，本发明提供一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，它通过在压电纳米步进器的压电体之间施加足够大的稳恒预紧力，极大减小了纳米步进器步进时的阻力和负载重力对压电体形变量的影响，并且在该稳恒预紧力的作用下，压电体只对外输出推力，极大减小了压电迟滞效应引起的压电纳米步进器步进的非线性，该纳米步进器兼具有纳米级分辨率、厘米级大行程、步长均匀、速度恒定等优点，并且步进速度与驱动信号有良好的线性关系。

2、本发明的技术方案是：一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，包括第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体、外框、弹簧体、滑杆、辅助预紧弹簧，所述的外框为一中空的封闭或半封闭的框架结构，所述的第一内滑块和第二内滑块沿滑杆方向置于外框内部，并且第一内滑块和第二内滑块分别与外框前、后内壁之间设有第一压电体和第二压电体,第一内滑块和第二内滑块之间设有弹簧体，所述第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体和外框在沿滑杆方向处于稳恒预紧力的作用下，并且该预紧力来源于弹簧体的预紧形变，所述的滑杆与外框之间、滑杆与第一内滑块之间以及滑杆与第二内滑块之间均设置有辅助预紧弹簧，以使滑杆与外框之间、滑杆与第一内滑块之间以及滑杆与第二内滑块之间均产生合适的正压力，进而保证第一内滑块、第二内滑和外框均与滑杆之间有合适的最大静摩擦力。

3、作为优选，所述第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体和弹簧体的总长度被外框限定为一恒定值，并且第一压电体伸长或缩短一定长度时，第二压电体或弹簧体缩短或伸长相同的长度。

4、作为优选，所述弹簧体产生的预紧力大于第一内滑块或第二内滑块或外框与滑杆的摩擦力以及马达自身重力和负载重力之和。

5、作为优选，所述的弹簧体的总形变量主要来源于安装时的预紧形变并且弹簧体的预紧形变远远大于第一压电体或第二压电体的最大形变量，由第一压电体或第二压电体形变引起的弹簧体的形变量比起弹簧体的预紧形变量可以忽略，由第一压电体或第二压电体形变引起的弹簧体的预紧力改变也可以忽略，弹簧体的预紧力等效为一恒定值。

6、作为优选，单独控制第一压电体或第二压电体并使其伸长或缩短，另一个压电体、外框、第一内滑块和第二内滑均不发生形变，弹簧体被压缩或伸长，第二滑块或第一滑块和外框相对静止，第一内滑块或第二内滑相对于滑杆发生滑动。

7、作为优选，同时控制所述第一压电体和第二压电体并使其中一个压电体伸长，另一个压电体缩短，外框、第一内滑块和第二内滑均不发生形变，第一内滑块和第二内滑相对静止，滑杆与外框发生相对滑动。

8、作为优选，按特定的顺序控制所述的第一压电体和第二压电体单独或同时发生形变，使第一内滑块、第二内滑块和外框相对与滑杆依次发生滑动，从而实现纳米步进器的步进。

9、本发明具有如下优点：所述压电纳米步进器可实现匀速步进、步长均匀，它的步进的性能几乎不受步进方向的影响，一致性好，另外，由于弹簧体的预紧形变为宏观尺度，它调试简单、易于装配。

技术特征：

1. 一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，包括第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体、外框、弹簧体、滑杆、辅助预紧弹簧，所述的外框为一中空的封闭或半封闭的框架结构，所述的第一内滑块和第二内滑块沿滑杆方向置于外框内部，并且第一内滑块和第二内滑块分别与外框前、后内壁之间设有第一压电体和第二压电体,第一内滑块和第二内滑块之间设有弹簧体，所述第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体和外框在沿滑杆方向处于稳恒预紧力的作用下，并且该预紧力来源于弹簧体的预紧形变，所述滑杆与外框、第一内滑块和第二内滑块之间均设置有辅助预紧弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，所述第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体和弹簧体的总长度被外框限定为一恒定值，并且第一压电体伸长或缩短一定长度时，第二压电体或弹簧体缩短或伸长相同的长度。

3.根据权利要求1所述的一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，所述弹簧体产生的预紧力大于第一内滑块或第二内滑块或外框与滑杆的摩擦力以及马达自身重力和负载重力之和。

4.根据权利要求1所述的一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，所述弹簧体的预紧形变量远远大于第一压电体或第二压电体的最大形变量。

5.根据权利要求1或2 或3或4所述的一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，控制第一压电体或第二压电体单独伸长或缩短，与该压电体相接触的内滑块相对于滑杆发生滑动。

6.根据权利要求1或2 或3或4所述的一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，同时控制所述第一压电体和第二压电体并使其中一个压电体伸长，另一个压电体缩短，滑杆与外框发生相对滑动。

7.根据权利要求1或2 或3或4所述的一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，其特征在于，按设定的顺序控制所述的第一压电体、第二压电体单独或同时发生形变，使所述第一内滑块、第二内滑块、外框相对于滑杆依次发生相对滑动，从而实现纳米步进器的步进。

技术总结本发明提供了一种具有稳恒预紧力的线性压电纳米步进器，包括第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体、外框、弹簧体、滑杆、辅助预紧弹簧，所述外框为一中空的封闭或半封闭的框架结构，所述第一内滑块和第二内滑块沿滑杆方向置于外框内部，并且第一内滑块和第二内滑块与外框内壁之间均设有一个压电体,第一内滑块和第二内滑块之间设有弹簧体，所述第一内滑块、第二内滑块、第一压电体、第二压电体和外框在沿滑杆方向处于稳恒预紧力的作用下，所述滑杆与外框、第一内滑块、第二内滑块之间均设置有辅助预紧弹簧。本发明的优点是：该纳米步进器兼有纳米级分辨、步长均匀、速度恒定等优点，并且步进速度与驱动信号有良好的线性关系。技术研发人员：夏志刚,张晶晶受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17