本發(fā)明涉及一種具有毫米行程的單軸納米位移執(zhí)行器，是一種具有毫米行程、同時(shí)擁有納米級(jí)步進(jìn)分辨率和重復(fù)性的新型單軸納米位移執(zhí)行器，屬于精密定位技術(shù)領(lǐng)域。主要適用于掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、集成電路的加工和衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)等眾多領(lǐng)域中的樣品掃描及精密定位。

背景技術(shù)：

在掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)等高精度測(cè)試加工設(shè)備中，具有納米級(jí)定位精度的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器是設(shè)備最重要的核心部件之一。對(duì)于單軸方向的納米運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在主要的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器有一維納米臺(tái)、慣性壓電驅(qū)動(dòng)器和尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器等。 其中一維納米臺(tái)機(jī)構(gòu)由單軸縱向伸長(zhǎng)壓電陶瓷棒、 整體切割柔性鉸鏈及杠桿機(jī)構(gòu)、壓電陶瓷控制器構(gòu)成。納米臺(tái)運(yùn)動(dòng)的基本原理為：壓電陶瓷棒在施加電壓后,由于逆壓電效應(yīng),導(dǎo)致縱向長(zhǎng)度伸長(zhǎng), 由于納米臺(tái)固定部分和移動(dòng)部分之間通過柔性鉸鏈連接，因而壓電陶瓷棒長(zhǎng)度變化將推動(dòng)納米臺(tái)移動(dòng)。因?yàn)閴弘娞沾砂糸L(zhǎng)度變化較小, 通常在柔性鉸鏈之前增加杠桿機(jī)構(gòu)放大位移。

慣性壓電驅(qū)動(dòng)器主要由壓電陶瓷管、藍(lán)寶石棒和滑塊組成。慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的基本原理：壓電陶瓷棒在施加電壓后伸長(zhǎng)，并帶動(dòng)藍(lán)寶石棒和滑塊一起移動(dòng)，然后立即撤除壓電陶瓷棒上的電壓后使壓電陶瓷棒快速回復(fù)，滑塊在慣性的作用下移動(dòng)的距離較小從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)步進(jìn)。尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器主要由壓電陶瓷管及滑桿組成。尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器的基本原理：通過兩邊的壓電陶瓷管依次徑向收縮夾緊滑桿，再通過中間的壓電陶瓷管軸向伸長(zhǎng)推動(dòng)兩邊的壓電陶瓷管及滑桿軸向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)步進(jìn)。

所述的一維納米臺(tái)由于采用壓電陶瓷棒推動(dòng)加杠桿機(jī)構(gòu)放大的結(jié)構(gòu)，行程受限。壓電陶瓷棒與杠桿、柔性鉸鏈組合的方式，行程無(wú)法達(dá)到毫米量級(jí)，且杠桿放大倍率越大，分辨率越低，穩(wěn)定性越差。

慣性壓電驅(qū)動(dòng)器需要脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷管瞬時(shí)變化，而脈沖信號(hào)中包含較多頻率，對(duì)其他電信號(hào)干擾較大。另外，在驅(qū)動(dòng)器豎直向上方向步進(jìn)時(shí)，滑塊的重力將嚴(yán)重降低馬達(dá)的負(fù)載能力。

尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器使用壓電陶瓷管改變對(duì)滑桿的正壓力，來(lái)控制兩端壓電陶瓷管和滑桿之間的摩擦力大小，而壓電陶瓷管提供的壓力是短程力，且力梯度較高，這就要求尺蠖壓電馬達(dá)必須有較高的加工精度；溫度變化也會(huì)影響壓電陶瓷管與滑桿之間的壓力設(shè)置，使其不能正常工作；其控制過程比較繁瑣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種具有毫米行程的單軸納米位移執(zhí)行器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不能兼具納米分辨率和毫米級(jí)行程，負(fù)載能力弱，只能在水平及接近水平方向上運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及對(duì)環(huán)境要求高的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種具有毫米行程的單軸納米位移執(zhí)行器，其特征在于，包括直線導(dǎo)向底座、剪切壓電陶瓷疊堆、光滑支撐塊、磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)及直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)，在直線導(dǎo)向底座的一側(cè)設(shè)有梯形凹槽，在該梯形凹槽的兩個(gè)斜面上設(shè)有兩對(duì)剪切壓電陶瓷疊堆，在剪切壓電陶瓷疊堆的頂端設(shè)有光滑支撐塊，在該直線導(dǎo)向底座與直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)之間設(shè)有相互吸引的磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)；所述的直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)的截面為與該梯形凹槽配合的梯形臺(tái)，該梯形臺(tái)的兩個(gè)斜面與所述的光滑支撐塊頂端接觸，該直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)與該直線導(dǎo)向底座之間通過磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)的磁力相互吸引定位。

所述的磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)包括設(shè)在該梯形凹槽的底面或/和該直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)頂面的相互對(duì)應(yīng)的電磁鐵或永磁體。

所述的磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)該梯形凹槽的底面和該直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)頂面上永磁體之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)正壓力可調(diào)，而電磁鐵可通過調(diào)節(jié)電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)正壓力可調(diào)，從而保證合適的正壓力以產(chǎn)生所需的摩擦力。

通過精密電壓控制電路給4個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆提供電壓控制信號(hào)，該電壓控制信號(hào)通過對(duì)剪切壓電陶瓷疊堆電壓位移曲線進(jìn)行擬合后得到，從而實(shí)現(xiàn)剪切壓電陶瓷疊堆的非線性修正以保證步進(jìn)時(shí)所有剪切壓電陶瓷疊堆移動(dòng)距離的一致，從而實(shí)現(xiàn)納米位移執(zhí)行器的納米級(jí)步進(jìn)及毫米級(jí)行程。

通過所述的剪切壓電陶瓷疊堆進(jìn)行位置的微調(diào)以保證正壓力的一致。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：采用磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)，使得各壓電陶瓷所受的正壓力基本一致，從而使納米位移執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、裝配簡(jiǎn)便以及抗干擾能力強(qiáng)；并且磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)與直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)之間不產(chǎn)生摩擦力，降低了直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)步進(jìn)時(shí)的阻力，增加了其負(fù)載能力。另外，磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)保證了該納米位移執(zhí)行器在水平、垂直及任意傾斜角度均可保持靜止?fàn)顟B(tài)及穩(wěn)定移動(dòng)，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中下半部（除去直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)）的俯視圖；

圖3是本發(fā)明步進(jìn)原理示意圖；

圖4是本發(fā)明步進(jìn)電壓控制信號(hào)波形圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1和圖2，本發(fā)明一種具有毫米行程的單軸納米位移執(zhí)行器，包括直線導(dǎo)向底座1、剪切壓電陶瓷疊堆3、光滑支撐塊4、磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)2及直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5，在直線導(dǎo)向底座1的上面設(shè)有梯形凹槽，在該梯形凹槽的兩個(gè)斜面上設(shè)有兩對(duì)剪切壓電陶瓷疊堆3（每個(gè)斜面各設(shè)兩個(gè)，設(shè)在沿直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5的移動(dòng)方向的直線上），在每一剪切壓電陶瓷疊堆3的頂端各設(shè)有一個(gè)光滑支撐塊4，在該直線導(dǎo)向底座1與直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5之間設(shè)有相互吸引的磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)2；所述的直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5的截面為與該梯形凹槽配合的梯形臺(tái)，該梯形臺(tái)的兩個(gè)斜面與所述的光滑支撐塊4的頂端接觸，該直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5與該直線導(dǎo)向底座1之間通過磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)2的磁力相互吸引定位。

所述的磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)2設(shè)在該直線導(dǎo)向底座1的梯形凹槽的底面和設(shè)在該直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5頂面的相互對(duì)應(yīng)的電磁鐵或永磁體，如果直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5材質(zhì)是磁吸材料，可以省略直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5頂面的磁體。

本發(fā)明的基本工作原理為：負(fù)載置于直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)上，負(fù)載臺(tái)5下是四個(gè)光滑支撐塊4和四個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆3，負(fù)載臺(tái)5與光滑支撐塊4相接觸，光滑支撐塊4固定在剪切壓電陶瓷疊堆3的末端。剪切壓電陶瓷疊堆3支撐負(fù)載臺(tái)5并提供直線運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力。負(fù)載臺(tái)5及直線導(dǎo)向底座1上都有磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)2，磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)2之間相互吸引，使負(fù)載臺(tái)5與起支撐作用的剪切壓電陶瓷疊堆3之間保持大小可調(diào)的正壓力，該正壓力目的是產(chǎn)生適合的最大靜摩擦力。

本發(fā)明的步進(jìn)示意圖如圖3所示，圖3中的（a）為所有剪切壓電陶瓷疊堆3沒有施加驅(qū)動(dòng)電壓的負(fù)載臺(tái)5和剪切壓電陶瓷疊堆3初始狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)納米位移執(zhí)行器進(jìn)行一次步進(jìn)的步驟為：

1、通過電壓放大電路給（b）中位于右上的第一個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆3-1供電（電壓V1，如圖4所示），此時(shí)剪切壓電陶瓷疊堆3-1將產(chǎn)生水平方向上的相對(duì)滑動(dòng)，使其在水平方向上產(chǎn)生形變（箭頭所示），而此時(shí)保持另外三個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆保持靜止無(wú)形變狀態(tài)電壓穩(wěn)定，則三個(gè)壓電陶瓷疊堆產(chǎn)生的靜摩擦力保證使得負(fù)載臺(tái)5靜止保持不動(dòng)。

2、維持第一個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆電壓保持其使其產(chǎn)生形變，保持第三和第四個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆無(wú)不產(chǎn)生形變，對(duì)第二個(gè)壓電陶瓷疊堆3-2施加電壓V2，使其產(chǎn)生與第一個(gè)相同方向相同大小的形變（圖3c）。

3、維持第一、第二個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆電壓保持形變，保持第四個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆無(wú)形變，對(duì)第三個(gè)壓電陶瓷疊堆3-3施加電壓V3，使其產(chǎn)生與第一、第二個(gè)相同方向相同大小的形變（圖3d）。

4、維持第一、第二、第三個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆電壓保持形變，對(duì)第四個(gè)壓電陶瓷疊堆3-4施加電壓V4，使其產(chǎn)生與第一、第二、第三個(gè)相同方向相同大小的形變（圖3e）。

5、同時(shí)撤去四個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆3上的電壓，使其同時(shí)恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而帶動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)5實(shí)現(xiàn)納米級(jí)步進(jìn)（在初始狀態(tài)線A的基礎(chǔ)上向左移動(dòng)一步，參見圖3f）。

不斷重復(fù)上述步進(jìn)步驟，使該納米位移執(zhí)行器連續(xù)步進(jìn)，從而使其行程能夠達(dá)到毫米級(jí)。通過磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)所提供的正壓力可保證該納米位移執(zhí)行器在水平、垂直及任意傾斜角度均可保持靜止?fàn)顟B(tài)及穩(wěn)定移動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種同時(shí)兼具納米分辨率和重復(fù)性、毫米級(jí)行程新型單軸納米位移執(zhí)行器。采用多個(gè)剪切壓電陶瓷疊堆實(shí)現(xiàn)橫向直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了磁力預(yù)緊機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)非接觸磁力預(yù)緊，增大了靜摩擦力和負(fù)載能力，保證了剪切壓電陶瓷疊堆步進(jìn)時(shí)與直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載臺(tái)的相對(duì)靜止。通過發(fā)明所述的步進(jìn)步驟，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)可變的納米位移。通過重復(fù)單次步進(jìn)步驟，實(shí)現(xiàn)了位移執(zhí)行器的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。